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摘要：本文对新型机械密封在矿用潜水泥浆泵中的应用进行了较全面的阐述，介绍了机械密封的工作原理、结构型式、性能特性、发展趋势，分析了密封端面开槽技术的应用，并运用先进的CFD软件对密封端面进行了仿真，为泵用机械密封的研究和发展有着重要意义。
关键词：机械密封 潜水泥浆泵 端面开槽 CFD
1前言
矿用潜水泥浆泵是水下输送磨蚀性固液混合物离心泵的一种，是泥浆泵和潜水电机技术相结合的机电一体化产品，广泛地应用于矿山、冶金、电厂等各个领域，矿山泥浆砂石泵送是各种介质泵送工况要求最为恶劣，过流件磨损快，腐蚀性强，频繁地故障会影响生产而造成的经济损失非常严重。近年来，国内矿山行业迅速发展，响应环境保护的迫切需要，绿色矿山建设成为未来发展的一种趋势。矿山生产、生活污水沉淀处理是矿山环境保护的重要项目之一，而潜水泥浆泵作为输送清理泥浆设备，根据国内外专家意见，这种泵型在提高泵送效率、降低能耗以及改善环境保护的最有发展前途和最进步的方向之一。
潜水泥浆泵作为沉淀泥浆泵送的主要设备，不仅要求其高耐磨、稳定高效，机械密封也更是其关键，它是水泵的心脏，必须可靠性高，保证无故障长期运行。潜水泥浆泵是在水下工作，一旦失效，外部介质或油室中的油便会进入电机腔，引起潜水电机故障，甚至影响人身安全。此新型机械密封应用在矿用潜水泥浆泵在使用的安全性、运行可靠性以及提高无故障运行时间，有必要对其机械密封进行结构分析，研究其技术的先进性。
2 机械密封的结构及其原理
2.1机械密封的结构
在矿用潜水泥浆泵中使用的是整体式机械密封，将内机封和外机封装配成为一个单元，主要由静密封环、动密封环、密封圈、支架、弹簧、等构成。机械密封在潜水泥浆泵中分为上下两个端面密封：上密封在油室与电机之间，下密封在泵壳与油室之间，都由一个静环和一个旋转的动环组成，上下两个密封的分界面由弹簧系统和支架相连接，图1为机械密封结构示意图。
2.2机械密封的原理：
机械密封旋转工作时，由密封室内流体的压力和弹性元件的弹力等引起的轴向力使动环和静环互相贴合并相对运动，由于两个密封端面的紧密配合，使密封端面之间的交界（密封界面）形成一微小间隙，当有压介质通过此间隙时，形成极薄的液膜，产生阻力，阻止介质泄漏，同时液膜又使得端面得以充分润滑，获得更长期密封效果。
多年以来，从现场采集整理地使用情况来看，这种新型的机械密封相对于同类泵型的机械密封有着更明显的性能优势：
（1）适用范围更广。机械密封可以在高温、低温、高压、强磨蚀的环境下工作。
（2） 密封性更好。机械密封在正常工作使用中，端面处可以达到“零泄露”，比其他密封状态更稳定。
（3）寿命长。机械密封设计使用寿命3年以上，常规机械机械密封的使用寿命一般1到2年。
2.3机械密封的材质
泵送介质中含有大量固体颗粒，密封面的材质需要极好的抗腐蚀性和耐磨性，动、静环端面材料选用碳化钨，它具有高硬度、摩擦系数小、强度高、耐腐蚀等等优良的综合性能，如下3机械密封的密封面
传统的机械密封的端面为两个平行的光滑平面，端面开槽技术就是通过在密封端面上开出各种形式的凹槽来改善端面间的润滑和密封状况，从而改善机械密封的密封状态。矿用潜水泥浆泵中使用的机械密封端面开有螺旋流槽，图2为密封端面示意图。若动环外径侧为油室被密封液体，内径侧为低压流体，当动环以图示方向旋转时，在螺旋槽流体动压效应的作用下， 动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜（ 图3中h1，h2） ， 使动静环端面保持分离即非接触状态。端面开设的螺旋槽既可以产生泵送效应，又可以抵抗压力梯度，在外径与内径压力差的作用下，被密封液体产生方向由外到内的压差流，而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性剪切流的方向由内径指向外径，两者的方向相反，最终得以平衡。
3.1机械密封端面性能参数
机械密封端面按着一元流动进行计算，一元流动的雷若方程：
根据上式，如果设h为常数，粘度也为常数，在内径侧，膜厚h==常数；在外径侧，膜厚h==常数，对上式积分，压力梯度也为常量，即压力按三角形分布，最大压力位于转折处，显然这两个区域的压力梯度为：
和
当密封假设为无限宽时，无轴向流动，其各处的流量必定不变，在单位时间宽度内的流量为：
将前式的压力梯度代入上式，经整理后可得：
设K=，可得到最大压力为：
在单位宽度内的承载能力就是三角形面积之和
经整理得：
3.2 机械密封端面仿真研究
FLUENT是目前运用最广泛地CFD仿真软件之一，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，对密封端面进行动力学可视化分析，仿真了密封端面压力分布云图，颜色的变化展示了密封面压力的变化，如图4：
4 机械密封发展趋势：
（1）工业技术不断创新 新技术、新理论、新材料、新工艺不断创新发展，失效机理、失效分析和失效监控更加深入地研究和应用，要求使之快速转换成实用性、高性能、高参数的密封产品。
（2）密封系统完善 从以往地单一密封零部件，发展到整个密封系统，并制定了新的密封系统标准。
（3）高效安全和环保性 随着工业技术不断地发展，环境保护地日益关注，人们对机械密封安全高效要求更加严格，过去从只注意眼睛可视的“泄露”，不注意易挥发物的“逸出”，发展到现今控制逸出零，从“零泄漏”到要求“零逸出”。
参考文献：
1. 张景松.流体机械：流体力学与流体机械【M】.徐州：中国矿业大学出版社，2001.11
2. 顾永泉.机械密封实用技术【M】.北京：机械工业出版社，2001.7
3. 彭旭东，杨慧霞，于恒聚.机械密封的新技术及其应用【J】.石油化工设备技术，2001，22（1）：62～66
4. 李梦君，李浙昆，熊勇等.基于FLUENT滑移网格的浮选离心叶片泵内流场的CFD分析【J】.科学技术与工程，2011，11（23）：5664～5668
5. 韩占忠，王敬，兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用【M】.北京：北京理工大学出版社，2004
6. 顾伯勤，蒋小文，孙见君等.机械密封技术最新进展【J】.化工进展，2003，22（11）：1160～1164
关键词：机械密封 潜水泥浆泵 端面开槽 CFD
1前言
矿用潜水泥浆泵是水下输送磨蚀性固液混合物离心泵的一种，是泥浆泵和潜水电机技术相结合的机电一体化产品，广泛地应用于矿山、冶金、电厂等各个领域，矿山泥浆砂石泵送是各种介质泵送工况要求最为恶劣，过流件磨损快，腐蚀性强，频繁地故障会影响生产而造成的经济损失非常严重。近年来，国内矿山行业迅速发展，响应环境保护的迫切需要，绿色矿山建设成为未来发展的一种趋势。矿山生产、生活污水沉淀处理是矿山环境保护的重要项目之一，而潜水泥浆泵作为输送清理泥浆设备，根据国内外专家意见，这种泵型在提高泵送效率、降低能耗以及改善环境保护的最有发展前途和最进步的方向之一。
潜水泥浆泵作为沉淀泥浆泵送的主要设备，不仅要求其高耐磨、稳定高效，机械密封也更是其关键，它是水泵的心脏，必须可靠性高，保证无故障长期运行。潜水泥浆泵是在水下工作，一旦失效，外部介质或油室中的油便会进入电机腔，引起潜水电机故障，甚至影响人身安全。此新型机械密封应用在矿用潜水泥浆泵在使用的安全性、运行可靠性以及提高无故障运行时间，有必要对其机械密封进行结构分析，研究其技术的先进性。
2 机械密封的结构及其原理
2.1机械密封的结构
在矿用潜水泥浆泵中使用的是整体式机械密封，将内机封和外机封装配成为一个单元，主要由静密封环、动密封环、密封圈、支架、弹簧、等构成。机械密封在潜水泥浆泵中分为上下两个端面密封：上密封在油室与电机之间，下密封在泵壳与油室之间，都由一个静环和一个旋转的动环组成，上下两个密封的分界面由弹簧系统和支架相连接，图1为机械密封结构示意图。
2.2机械密封的原理：
机械密封旋转工作时，由密封室内流体的压力和弹性元件的弹力等引起的轴向力使动环和静环互相贴合并相对运动，由于两个密封端面的紧密配合，使密封端面之间的交界（密封界面）形成一微小间隙，当有压介质通过此间隙时，形成极薄的液膜，产生阻力，阻止介质泄漏，同时液膜又使得端面得以充分润滑，获得更长期密封效果。
多年以来，从现场采集整理地使用情况来看，这种新型的机械密封相对于同类泵型的机械密封有着更明显的性能优势：
（1）适用范围更广。机械密封可以在高温、低温、高压、强磨蚀的环境下工作。
（2） 密封性更好。机械密封在正常工作使用中，端面处可以达到“零泄露”，比其他密封状态更稳定。
（3）寿命长。机械密封设计使用寿命3年以上，常规机械机械密封的使用寿命一般1到2年。
2.3机械密封的材质
泵送介质中含有大量固体颗粒，密封面的材质需要极好的抗腐蚀性和耐磨性，动、静环端面材料选用碳化钨，它具有高硬度、摩擦系数小、强度高、耐腐蚀等等优良的综合性能，如下3机械密封的密封面
传统的机械密封的端面为两个平行的光滑平面，端面开槽技术就是通过在密封端面上开出各种形式的凹槽来改善端面间的润滑和密封状况，从而改善机械密封的密封状态。矿用潜水泥浆泵中使用的机械密封端面开有螺旋流槽，图2为密封端面示意图。若动环外径侧为油室被密封液体，内径侧为低压流体，当动环以图示方向旋转时，在螺旋槽流体动压效应的作用下， 动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜（ 图3中h1，h2） ， 使动静环端面保持分离即非接触状态。端面开设的螺旋槽既可以产生泵送效应，又可以抵抗压力梯度，在外径与内径压力差的作用下，被密封液体产生方向由外到内的压差流，而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性剪切流的方向由内径指向外径，两者的方向相反，最终得以平衡。
3.1机械密封端面性能参数
机械密封端面按着一元流动进行计算，一元流动的雷若方程：
根据上式，如果设h为常数，粘度也为常数，在内径侧，膜厚h==常数；在外径侧，膜厚h==常数，对上式积分，压力梯度也为常量，即压力按三角形分布，最大压力位于转折处，显然这两个区域的压力梯度为：
和
当密封假设为无限宽时，无轴向流动，其各处的流量必定不变，在单位时间宽度内的流量为：
将前式的压力梯度代入上式，经整理后可得：
设K=，可得到最大压力为：
在单位宽度内的承载能力就是三角形面积之和
经整理得：
3.2 机械密封端面仿真研究
FLUENT是目前运用最广泛地CFD仿真软件之一，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，对密封端面进行动力学可视化分析，仿真了密封端面压力分布云图，颜色的变化展示了密封面压力的变化，如图4：
4 机械密封发展趋势：
（1）工业技术不断创新 新技术、新理论、新材料、新工艺不断创新发展，失效机理、失效分析和失效监控更加深入地研究和应用，要求使之快速转换成实用性、高性能、高参数的密封产品。
（2）密封系统完善 从以往地单一密封零部件，发展到整个密封系统，并制定了新的密封系统标准。
（3）高效安全和环保性 随着工业技术不断地发展，环境保护地日益关注，人们对机械密封安全高效要求更加严格，过去从只注意眼睛可视的“泄露”，不注意易挥发物的“逸出”，发展到现今控制逸出零，从“零泄漏”到要求“零逸出”。
参考文献：
1. 张景松.流体机械：流体力学与流体机械【M】.徐州：中国矿业大学出版社，2001.11
2. 顾永泉.机械密封实用技术【M】.北京：机械工业出版社，2001.7
3. 彭旭东，杨慧霞，于恒聚.机械密封的新技术及其应用【J】.石油化工设备技术，2001，22（1）：62～66
4. 李梦君，李浙昆，熊勇等.基于FLUENT滑移网格的浮选离心叶片泵内流场的CFD分析【J】.科学技术与工程，2011，11（23）：5664～5668
5. 韩占忠，王敬，兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用【M】.北京：北京理工大学出版社，2004
6. 顾伯勤，蒋小文，孙见君等.机械密封技术最新进展【J】.化工进展，2003，22（11）：1160～1164