电子设备冷却系统非接触式机械密封性能研究

崔海新

摘要：随着国防电子设备的不断发展，对电子设备的综合性能提出了越来越高的要求。机械密封是许多电子设备冷却系统的关键部件，它在很大程度上决定了冷却系统的性能和可靠性，进而影响到整个电子设备的性能稳定性和使用寿命。与电子设备冷却系统中广泛使用的接触式机械密封相比，上游泵送机械密封是一种非接触式机械密封，具有低泄漏、低磨损、可靠性高、使用寿命长等特点，经过合理设计可以实现零泄漏。根据电子设备冷却系统的实际工况，建立了低速大直径上游泵送机械密封的流固热耦合分析模型。研究了机械密封主要性能参数在不同工况和密封设计参数下的变化规律。

关键词：电子设备;冷却系统;非接触式;机械密封性能

1数学模型

1.1几何模型

本文将机械密封结构简化为二维轴对称模型，忽略局部的非对称因素（如传动销等）。该机械密封外径处为密封介质侧，内径处为大气环境。端面采用硬硬配副，动环选用SiC材料，静环选用加碳SiC材料。SiC材料的弹性模量为420GPa、泊松比为0.3、密度为3200kg/m3、导热系数为120W/mK、线膨胀系数为4×10-6K-1;加碳SiC材料的弹性模量为410GPa、泊松比为0.16、密度为2920kg/m3、导热系数为110W/mK、线膨胀系数为4.1×10-6K-1。

机械密封端面采用双列反向螺旋槽结构，端面内外两侧螺旋槽的旋向相反。相关几何参数：ri=154.5mm，ro=164.5mm，平衡半径rb=157mm;r1=155mm，r2=162mm，r3=162.5mm，r4=164mm;堰槽宽度比为1，槽数36，槽深20μm。

1.2热-流固耦合模型

本文上游泵送螺旋槽机械密封分析计算，采用基本相同的热-流固模型。其中流场采用半解析法，将机械密封端面离散为若干个环带单元，单元内外径压差为

施加对应边界条件后即可得到流场的端面压力分布。联立流体膜能量方程，可获得端面流体膜的温度场。

在密封环与流体膜接触的区域，设置温度和热流密度连续条件;在动静环的内侧和背部采用绝热边界条件;动静环外侧存在良好的冲洗，采用对流换热边界条件，根据雷诺数估算，选择Doane公式计算其对流换热系数。密封介质的粘温关系采用修正后的Walther公式。密封环力热变形由有限元法分析得到。密封端面上为流体域计算得到的压力分布;在密封环其他位置，根据辅助密封O形圈位置设置高压和低压边界条件;在静环背部，根据弹簧力另施加弹性载荷边界条件。在上述流、固、热场模型的基础上，设置流体压力与温度分析、开启力闭合力平衡、固体传热与变形分析三个计算模块，嵌套循环至端面变形、温度残差小于预设阈值时停止计算，由此而实现机械密封的热-流固耦合分析。

2算例、结果和讨论

2.1变工况参数结果分析

对某电子设备冷却系统机械密封在介质压力为0.5MPa（绝对压力）、额定转速为500rpm、环境温度为300K时，在前文所述槽型参数条件下，基于热-流固耦合模型对密封的性能参量和其他参量进行了分析，研究了不同工况和设计参数条件下各参量的变化情况。给出了转速为1000转条件下的密封环温度分布情况，可以看到密封端面温升很小，而计算得到的端面最大相对变形均在0.1μm以内，可见这两者影响很小，基本可以忽略。

当密封介质压力在0.2MPa～0.7MPa时，得到的密封泄漏率、平衡膜厚（平衡状态下膜厚最小值）、流体膜刚度、气液分界半径等参数的变化规律。在介质压力小于0.5MPa时，随着压力逐渐升高，平衡膜厚逐渐减小，流体膜刚度逐渐升高，气液半径逐渐向内径处移动，及液膜所占区域逐渐变大，一直保持零泄漏状态。这表明，该槽型设计可以在基本工况条件下实现零泄漏。在压力升高时，需更多内槽段参与向上游泵送，因此液膜区域逐渐变大。但当压力达到0.55MPa以上时，各参量发生突变，零泄漏状态不再能维持，出现了较大的泄漏且随压力迅速升高，气液半径随之降到内径处不再变化，平衡膜厚也大幅躍升。这充分说明该槽型参数在其他工况不变的条件下所能承受的压力极限在0.5MPa～0.55MPa。

密封槽型参数保持不变，转速从100rpm变化至600rpm。可见，在目前的计算转速范围内，泄漏率一直保持为零。随着转速升高，平衡膜厚增大，流体膜刚度降低，这是由于随着转速的增大，流体动压效应增强，导致流体膜承载力增强，因而平衡膜厚变大，而流体膜刚度是平衡膜厚下的计算值，因膜厚增大而下降。气液分界半径基本保持不变，这是因为螺旋槽向上游泵送的能力一方面受到转速的影响，一方面受到膜厚的影响，在本文算例条件下，这两种正负影响基本互相抵消。

2.2变设计参数结果分析

本文选取弹簧比压和外螺旋槽螺旋角作为典型的设计参数代表，探讨了其对密封性能的影响规律，为上游泵送机械密封的设计提供了依据。利用该模型，分析了弹簧比压从0.05mpa到0.2mpa的变化规律。

在此参数范围内，泄漏率始终为零。随着弹簧比压的增大，闭合力增大，平衡膜厚度迅速减小，液膜刚度迅速增大;气液半径也增大，但初期变化比较剧烈，后期变化缓慢。由此可见，弹簧比压虽然不影响密封件零泄漏功能的实现，但对密封件的工作状态影响很大。在启动和停止阶段或低速时，弹簧比压力对密封面摩擦状态的影响更为显著。

分析了螺旋角从11°到19°时外螺旋槽参数的变化规律。从图中可以看出，当螺旋角小于15°时，随着外螺旋槽螺旋角的逐渐增大，密封平衡膜厚度逐渐增大，液膜刚度减小，气液边界半径逐渐减小，即：，被液体占据的面积逐渐增大。但是，当螺旋角大于15度时，密封件将泄漏，其他参数将跳跃。可以看出，在本文所研究的参数范围内，侧向螺旋角越大，对下游的泵送能力越大，也就是说，槽对上游的整体泵送能力降低，但流体动压效应和液膜承载能力增加。槽长、槽宽、槽深、内槽螺旋角等设计参数对密封性能有显著影响。本文不一一讨论。

结论

本文针对电子设备冷却系统的机械密封设计了上游泵送端面槽。采用热流固耦合模型，研究了机械密封性能参数和其它参数随运行参数和设计参数的变化规律和机理。结果表明：在一定的压力和转速范围内，本文设计的槽型参数可以实现机械密封的非接触运行和零泄漏;在本文的条件下，密封面温升和热变形很小，可以忽略不计;弹簧比压的变化会使平衡膜厚度发生较大变化，影响密封工作状态，因此应根据使用情况慎重选择;外槽螺旋角影响螺旋槽的泵送能力和动水压力效应，对密封性能有显著影响。存在一个临界值来确定是否可以实现零泄漏。

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