陈利海；葛培琪；程建辉
（山东大学）
摘 要：依据有限元的计算原理，推导了用于机械密封温度场计算的有限元方程，给出了温度场计算中关键参数的确定方法，提出了机械密封温度场可视化计算的方法，编制了机械密封温度场可视化计算软件MFSCAD，并且用于机械密封温度场的计算，该软件通用性强，效率高，是机械密封设计及研究的有力工具。
关键词：机械密封；可视化计算；温度场
1.前言
在机械密封中，由于摩擦和搅拌产生的热量会使密封环特别是密封面温度升高，这会带来很多问题。例如会出现密封面间介质汽化、密封环变形、密封面磨损，甚至因温度变化而引起热冲击和热裂等。还有密封材料、辅助密封材料的耐温性也有一定的限度，弹性元件的弹性也会受到温度的影响。再加上有的介质在温度变化时会发生固化、聚合、结晶、结焦、溶解和腐蚀加剧等。
为了保证机械密封长期稳定可靠地运转，必须首先掌握各部分的受热情况，主要是摩擦副和端面的温度及其分布，然后采取控制温升的措施机械密封环温度场的计算，对分析机械密封性能极为重要，李克永、李红等用解析法计算了密封环内的温度分布；陈文毅、法金元等利用有限元法计算了密封环的温度场。Parviz Merati等用商用软件FLUENT、CFD对密封环的温度场、密封腔内流体的温度场及流场进行了计算和分析。上述计算方法的共同特点是：任务单一、通用性差；数据输入量大；直观性、交互性差。
我们开发了一套图形交互式且具有一定通用性的机械密封可视化计算分析系统——MFSCAD,该系统可对机械密封温度场、密封性能以及变形进行分析计算，本文仅就其温度场计算模块进行讨论。
2有限元模型
2.1基本假设及边界条件
假设温度场为轴对称稳态分布，忽略因热辐射而损失的热量。在MFSCAD系统中可以对四种温度边界条件进行处理，即规定温度的边界、绝热边界、对流边界和规定热流量的边界。
2.2有限元方程
用图1所示的三角形环单元的集合代替回转体，采用线性插值函数:
利用基本假设和边界条件可推出有限元计算的系统矩阵：
2.3机械密封的热量平衡
为了简化计算，本研究机械密封中的热量来源主要考虑摩擦副的摩擦热，该热量主要由动、静环通过热交换传至密封液、冲洗液，再由密封液和冲洗液带走，并在一定条件下达到热量平衡。
2.4关键参数的确定
（1）对流传热系数h：对流传热系数h是机械密封环温度场计算中Z为复杂的参数，如图2所示对于W1、W2、W3和W4四种情况，提出了如下的计算方法。
式中
Rec、Rea ———反映介质的旋转搅拌影响、横向绕流影响的雷诺数
Nµ———努赛尔常数
Pr———普兰特常数
Dr———动环外径
Kt———流体的导热系数
ω———轴的角速度
U———动环周围介质的轴向平均流速
µ、ν1———流体的动力粘度和运动粘度
Cp———流体的比热
式中
δ ———静环与密封腔内壁之间或者是动环与轴之间的间隙
V———静环或动环周围介质的轴向流速
对于W4：
发布时间:2009-07-13
