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摘要：端面造型的机械严密封闭的性质研究，主要是通过动网格技术，模拟研究过程中的一系列问题，并得到相应的数据，在此基础上，对普通机械密封，微孔端面机械密封，孔槽耦合端面机械密封三种密封方式进行相应的模拟运行测试。结果表明，孔槽耦合端面机械密封的效果更好。与普通机械密封相比较，微孔端面的机械密封虽然能减轻密封件之间的摩擦和磨损，但这种密封方法防泄漏效果并不好，而孔槽耦合端面的机械密封则具有了更小的剪切力，而且能更好的抵抗流体间的压力，密封的润滑性能更好，是最好的机械的密封方式。
关键词：机械严密封闭；动网格技术；端面；内流场；数值的模拟
目前大多实验都是事先把参考数据设为标准进行研究，例如：忽略体积的力作用、重力和磁力；流体为不可压缩的流体，密度不随压力变化而变化；液膜状态，流体黏度设为常数；忽略工作过程中系统的扰动和振动对液膜的影响；间隙间，流体视为连续的介质，端面间为完整的流体膜等，这并不能反映真实情况，通过大量不同液膜厚度的模拟计算得到膜厚随工况的变化关系，然后由计算的工况获得膜厚而进行流场的相关计算，这种方法因膜厚涉及的因素太多而使计算工作量增大，并且易导致误差出现。为此，文中将在机械密封的内流场计算中使用动网格技术，在密封运行的实际情况中获得真实膜厚，从而模拟内流场的变化，为机械严密封闭的内流场的数值研究提供更加可靠高效的方法，并应用相应的软件对不同端面造型的机械严密封闭的性质进行研究。
1.机械密封、动网格技术的简介及运用
机械密封又称为端面密封，是旋转轴的运动密封。机械密封的性能可靠，泄露量小，使用寿命长，功耗低，不须要经常维修，并能适应于生产过程的自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性的介质、含固体颗粒的介质等苛刻情况下的密封要求。机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下保持结合并配合以辅助密封以达到阻漏目的的装置。与软填料密封相比，机械密封密封可靠，在长期运转中密封状态稳定，泄露量很小，其泄露约为软填料密封的1%；使用寿命长，在油、水介质中一般可达1—2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上；功率消耗小，其摩擦功率仅为软填料密封的10%～50%；轴或轴套基本上不磨损；维修周期长，端面磨损后可以自动补偿，一般情况下不需经常维修；抗振性好，对旋转轴的振动及轴对密封腔的偏斜要求不敏感；适用范围广，机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率及各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封等优点。
动网格可以用来模拟流场的形状随着时间变化的情况，流场边界的运动形式可以是预先定义的运动，即在计算前已经知到边界运动的规律，预先指定它的速度和角速度；也可以是未定义的运动，即边界的运动规律无法预知，必须由前一步计算结果决定，网格的更新过程由软件根据每个过程中边界的变化情况而自动完成，由于动网格技术能够更为真实的模拟流场的变化，从而广泛的被应用于飞机机翼的外流场、发动机的内流场等的数值的模拟中，但未见的在机械的密封中得到应用。在机械密封的内流场的数值模拟中可使用边界运动的形式预先对未定义的动网格技术的用户自行编写程序，定义边界的运动与内流场中的参数关系，并将程序连接到软件的求解器上，从而实现在变化中的求解过程，在变化中改变网格的形状和边界运动的特性等的功能，使得模型能够更加贴近实际，从而更加的具有实用性。
2.模拟的过程以及对模拟结果的分析
在机械的密封件的运行过程中，弹簧的预紧装置和介质压力提供了闭合力，密封间隙的液膜压力提供了开启力。开启力大于闭合力时，弹簧被压缩，闭合力逐渐增加，与此同时液膜的厚度增大，开启力却减小，反之则反。由此可知，开启力和闭合力的差决定了液膜的厚度变化，进而引起内流场的变化，反过来改变了开启力的大小以及与闭合力之间的差值，这种动态的变化将会一直持续到开启力与闭合力的大小相等，即达到了动态平衡，形成稳定的膜厚、内流场。
经过优化后的微孔端面的机械密封能够得到较好的润滑，微孔之间产生的动压效应，能使开启力、密封间隙以及液膜的厚度增大，从而导致了泄漏量的变大，而当微孔和螺旋槽都具备了一定的动压时，也能获得较大的开启力，但是由于螺旋槽具有良好的回吸泵送的能力，一方面它可以抵消由于内外的径压差而引起的强压差流，另一方面内径产生的负压可以很好的回吸已泄漏液体，从而大大的降低泄漏量。黏性的流体在楔形的空间内流动时，会产生强动压效应，通过静压的分布可以观察出动压效应产生的情况以及不同端面造型产生的不同动压效应能力。动密封是机械密封装置中的主要密封，也是决定着机械密封性能和寿命的关键。因此，对密封端面的加工有很高的要求，同时为了使密封端面之间保持润滑液膜，必须严格控制端面上单位面积上的压力，压力过大，就不易形成稳定的润滑液膜，加速端面的磨损；压力过小，会使泄漏的量增加。所以，要想获得良好的密封性又有足够的寿命，在设计和安装机械密封时，一定要保证端面单位面积的压力值保持在最适当的范围。
通过几何模型和数学模型对一系列数值进行比较和验证，能够知道端面微孔能够产生很好的动压效应并且可以容纳一部分磨屑，这能够改善端面润滑状况，微孔端面的机械密封可以有效降低密封端面之间的摩擦。应该用机械强度更高，更能耐压和变形，具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好，配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀，耐磨性好，寿命长，导热性和散热性好；耐高温性好；抗热裂性好，耐腐蚀性强；线膨胀系数小，切削加工性好，成型性能好，气密性好，密度小，能耐热变形和尺寸稳定性更好的材料。面泵送槽可以将密封的高压侧漏到低压侧的液体泵回到高压侧，减小甚至实现零泄漏，由于坝区和槽区的存在，在停车和旋转时都具有防泄漏功能，因此，在密封环的端面进行微孔加工、构造螺旋泵送槽等可以改善密封结构的性能。
3.总结
動网格技术在机械密封性能的内流场数值模拟中应用是可行的，通过对不同情况下的模拟值和试验值的对比和论证，且与现有模拟方法相比，我们可发现动网格技术能够有效解决密封运转中的一系列问题，可以获得更加接近于真实情况的模拟结果。而且，通过动网格技术的模拟和分析可知，与普通机械密封相比，微孔端面的机械密封方法能够产生更大的动压效应，增大液膜的开启力，能够更好的改善端面间摩擦的磨损情况，但是，这种密封方法防泄漏的能力并不强，在其他条件相当的情况下，泄漏量大远远大于普通的机械密封。孔槽耦合端面的机械密封也能够产生一定的动压效应，液膜的开启力比普通的机械密封更大，壁面的剪切力更小，且能够更有效的解决微孔端面机械密封泄漏量较大的问题，在相等的条件下，泄漏量比微孔端面的机械密封和普通的机械密封都要小，只要设计合理，就可通过孔槽耦合端面使机械的密封达到零泄漏，非接触高性能的要求。
参考文献：
[1]丁雪兴，王燕，佘志刚，等微孔端面机械密封间液膜的CFD数值模拟[J].兰州理工大学学报，2011，37（2）：39-44.
[2]陈汇龙，李亚楠，赵斌娟，等.基于扬程定义的密封端面螺旋槽泵送效应分析[J].排灌机械工程学报，2010，28（1）：83-88.
[3]温诗铸，黄平.摩擦学原理[M].3版.北京：清华大学出版社，2008.
[4]李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通FFLUENT6.3流场分析[M].北京：化学工业出版社，2009.
[5]陈汇龙，翟晓，赵斌娟，等.多孔端面机械密封内流场的数值分析[J]，排灌机械工程学报，2009，27（6）：389-402.
[6]彭旭东，吴朝辉，孟祥铠，等.多孔扇面分布端面机械密封的结构优化[J].排灌机械工程学报，2010，28（6）：521-525.
[7]符永宏，汤新熊.不同激光表面造型机械密封环的性能试验研究[J].流体机械，2010，38（8）：1-4.
关键词：机械严密封闭；动网格技术；端面；内流场；数值的模拟
目前大多实验都是事先把参考数据设为标准进行研究，例如：忽略体积的力作用、重力和磁力；流体为不可压缩的流体，密度不随压力变化而变化；液膜状态，流体黏度设为常数；忽略工作过程中系统的扰动和振动对液膜的影响；间隙间，流体视为连续的介质，端面间为完整的流体膜等，这并不能反映真实情况，通过大量不同液膜厚度的模拟计算得到膜厚随工况的变化关系，然后由计算的工况获得膜厚而进行流场的相关计算，这种方法因膜厚涉及的因素太多而使计算工作量增大，并且易导致误差出现。为此，文中将在机械密封的内流场计算中使用动网格技术，在密封运行的实际情况中获得真实膜厚，从而模拟内流场的变化，为机械严密封闭的内流场的数值研究提供更加可靠高效的方法，并应用相应的软件对不同端面造型的机械严密封闭的性质进行研究。
1.机械密封、动网格技术的简介及运用
机械密封又称为端面密封，是旋转轴的运动密封。机械密封的性能可靠，泄露量小，使用寿命长，功耗低，不须要经常维修，并能适应于生产过程的自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性的介质、含固体颗粒的介质等苛刻情况下的密封要求。机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下保持结合并配合以辅助密封以达到阻漏目的的装置。与软填料密封相比，机械密封密封可靠，在长期运转中密封状态稳定，泄露量很小，其泄露约为软填料密封的1%；使用寿命长，在油、水介质中一般可达1—2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上；功率消耗小，其摩擦功率仅为软填料密封的10%～50%；轴或轴套基本上不磨损；维修周期长，端面磨损后可以自动补偿，一般情况下不需经常维修；抗振性好，对旋转轴的振动及轴对密封腔的偏斜要求不敏感；适用范围广，机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率及各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封等优点。
动网格可以用来模拟流场的形状随着时间变化的情况，流场边界的运动形式可以是预先定义的运动，即在计算前已经知到边界运动的规律，预先指定它的速度和角速度；也可以是未定义的运动，即边界的运动规律无法预知，必须由前一步计算结果决定，网格的更新过程由软件根据每个过程中边界的变化情况而自动完成，由于动网格技术能够更为真实的模拟流场的变化，从而广泛的被应用于飞机机翼的外流场、发动机的内流场等的数值的模拟中，但未见的在机械的密封中得到应用。在机械密封的内流场的数值模拟中可使用边界运动的形式预先对未定义的动网格技术的用户自行编写程序，定义边界的运动与内流场中的参数关系，并将程序连接到软件的求解器上，从而实现在变化中的求解过程，在变化中改变网格的形状和边界运动的特性等的功能，使得模型能够更加贴近实际，从而更加的具有实用性。
2.模拟的过程以及对模拟结果的分析
在机械的密封件的运行过程中，弹簧的预紧装置和介质压力提供了闭合力，密封间隙的液膜压力提供了开启力。开启力大于闭合力时，弹簧被压缩，闭合力逐渐增加，与此同时液膜的厚度增大，开启力却减小，反之则反。由此可知，开启力和闭合力的差决定了液膜的厚度变化，进而引起内流场的变化，反过来改变了开启力的大小以及与闭合力之间的差值，这种动态的变化将会一直持续到开启力与闭合力的大小相等，即达到了动态平衡，形成稳定的膜厚、内流场。
经过优化后的微孔端面的机械密封能够得到较好的润滑，微孔之间产生的动压效应，能使开启力、密封间隙以及液膜的厚度增大，从而导致了泄漏量的变大，而当微孔和螺旋槽都具备了一定的动压时，也能获得较大的开启力，但是由于螺旋槽具有良好的回吸泵送的能力，一方面它可以抵消由于内外的径压差而引起的强压差流，另一方面内径产生的负压可以很好的回吸已泄漏液体，从而大大的降低泄漏量。黏性的流体在楔形的空间内流动时，会产生强动压效应，通过静压的分布可以观察出动压效应产生的情况以及不同端面造型产生的不同动压效应能力。动密封是机械密封装置中的主要密封，也是决定着机械密封性能和寿命的关键。因此，对密封端面的加工有很高的要求，同时为了使密封端面之间保持润滑液膜，必须严格控制端面上单位面积上的压力，压力过大，就不易形成稳定的润滑液膜，加速端面的磨损；压力过小，会使泄漏的量增加。所以，要想获得良好的密封性又有足够的寿命，在设计和安装机械密封时，一定要保证端面单位面积的压力值保持在最适当的范围。
通过几何模型和数学模型对一系列数值进行比较和验证，能够知道端面微孔能够产生很好的动压效应并且可以容纳一部分磨屑，这能够改善端面润滑状况，微孔端面的机械密封可以有效降低密封端面之间的摩擦。应该用机械强度更高，更能耐压和变形，具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好，配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀，耐磨性好，寿命长，导热性和散热性好；耐高温性好；抗热裂性好，耐腐蚀性强；线膨胀系数小，切削加工性好，成型性能好，气密性好，密度小，能耐热变形和尺寸稳定性更好的材料。面泵送槽可以将密封的高压侧漏到低压侧的液体泵回到高压侧，减小甚至实现零泄漏，由于坝区和槽区的存在，在停车和旋转时都具有防泄漏功能，因此，在密封环的端面进行微孔加工、构造螺旋泵送槽等可以改善密封结构的性能。
3.总结
動网格技术在机械密封性能的内流场数值模拟中应用是可行的，通过对不同情况下的模拟值和试验值的对比和论证，且与现有模拟方法相比，我们可发现动网格技术能够有效解决密封运转中的一系列问题，可以获得更加接近于真实情况的模拟结果。而且，通过动网格技术的模拟和分析可知，与普通机械密封相比，微孔端面的机械密封方法能够产生更大的动压效应，增大液膜的开启力，能够更好的改善端面间摩擦的磨损情况，但是，这种密封方法防泄漏的能力并不强，在其他条件相当的情况下，泄漏量大远远大于普通的机械密封。孔槽耦合端面的机械密封也能够产生一定的动压效应，液膜的开启力比普通的机械密封更大，壁面的剪切力更小，且能够更有效的解决微孔端面机械密封泄漏量较大的问题，在相等的条件下，泄漏量比微孔端面的机械密封和普通的机械密封都要小，只要设计合理，就可通过孔槽耦合端面使机械的密封达到零泄漏，非接触高性能的要求。
参考文献：
[1]丁雪兴，王燕，佘志刚，等微孔端面机械密封间液膜的CFD数值模拟[J].兰州理工大学学报，2011，37（2）：39-44.
[2]陈汇龙，李亚楠，赵斌娟，等.基于扬程定义的密封端面螺旋槽泵送效应分析[J].排灌机械工程学报，2010，28（1）：83-88.
[3]温诗铸，黄平.摩擦学原理[M].3版.北京：清华大学出版社，2008.
[4]李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通FFLUENT6.3流场分析[M].北京：化学工业出版社，2009.
[5]陈汇龙，翟晓，赵斌娟，等.多孔端面机械密封内流场的数值分析[J]，排灌机械工程学报，2009，27（6）：389-402.
[6]彭旭东，吴朝辉，孟祥铠，等.多孔扇面分布端面机械密封的结构优化[J].排灌机械工程学报，2010，28（6）：521-525.
[7]符永宏，汤新熊.不同激光表面造型机械密封环的性能试验研究[J].流体机械，2010，38（8）：1-4.