宋遠(yuǎn)紅*，李鳳芹

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝備制造學(xué)院，四川成都，610218；2.濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司，山東濟(jì)南，250300）

螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)數(shù)值分析及參數(shù)研究

宋遠(yuǎn)紅1*，李鳳芹2

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝備制造學(xué)院，四川成都，610218；2.濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司，山東濟(jì)南，250300）

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的動(dòng)壓效應(yīng)理論，建立了螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)控制微分方程并進(jìn)行建模，確定了計(jì)算區(qū)域。根據(jù)文獻(xiàn)給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用FLUENT對(duì)氣膜壓力場(chǎng)進(jìn)行求解，得到了密封計(jì)算區(qū)域動(dòng)環(huán)端面處氣膜壓力沿半徑方向的分布。本文對(duì)干氣密封的穩(wěn)態(tài)特性、槽型幾何參數(shù)對(duì)密封性能（泄漏量和氣膜剛度）的影響進(jìn)行分析研究，并結(jié)合文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)螺旋槽干氣密封端面槽型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證最低泄漏量的同時(shí)得到最大氣膜剛度，從而為進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。

螺旋槽；干氣密封；參數(shù)研究；氣膜流場(chǎng)；FLUENT

引言

干氣密封[1]是一種新型密封形式，也稱作氣體端面密封,它是在機(jī)械密封基礎(chǔ)上發(fā)展得來的。它屬非接觸式密封形式，重要構(gòu)件為動(dòng)、靜環(huán)，特征是在動(dòng)環(huán)或靜環(huán)的端面上加工有均勻分布的淺槽。利用該淺槽的流體動(dòng)壓效應(yīng)，在動(dòng)、靜環(huán)間形成一定厚度的氣膜，此氣膜有一定的剛度，既能保證泄漏量不至超標(biāo)，又能使兩環(huán)端面實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封特別適合于高速、高溫、高壓設(shè)備的密封，是目前最先進(jìn)的一種動(dòng)密封形式。

干氣密封的原理[2]是密封端面做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過淺槽產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，在動(dòng)靜環(huán)之間形成很薄的氣膜，從而使密封副可工作在非接觸狀態(tài)下。干氣密封具有泄漏量少（理論上甚至可達(dá)零泄露）、端面磨損小、運(yùn)行壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。從流體動(dòng)力學(xué)角度來講，在干氣密封端面開任何形狀的溝槽，都能產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)。槽型主要有圓弧槽、螺旋槽、直線槽和T形槽等，理論研究表明，螺旋槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)，氣膜剛度最大，密封的穩(wěn)定性最好。工程實(shí)踐中，螺旋槽干氣密封并沒發(fā)揮出它的最大優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)情況下，是因?yàn)闆]有實(shí)現(xiàn)槽形幾何參數(shù)的最佳組合。本文以螺旋槽干氣密封為研究對(duì)象，對(duì)螺旋槽干氣密封端面流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究槽形幾何參數(shù)對(duì)密封性能的影響，實(shí)現(xiàn)槽形參數(shù)的合理選擇，這對(duì)螺旋槽干氣密封的設(shè)計(jì)、制造以及安全、可靠、穩(wěn)定和長(zhǎng)周期運(yùn)行具有較好的實(shí)踐意義。

1 干氣密封原理與微分方程

1.1 密封原理

螺旋槽干氣密封的工作原理[3]，實(shí)際上是利用流體動(dòng)壓力與流體靜壓力和彈簧元件彈力的合力與閉合力的平衡，在動(dòng)靜環(huán)之間形成一定厚度的氣膜，從而達(dá)到密封的目的。當(dāng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體介質(zhì)進(jìn)入螺旋槽并被引向中心，被壓縮的介質(zhì)因密封堰的阻礙，氣體壓力逐漸增大，該壓力是動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的稱為流體動(dòng)壓。一般在密封動(dòng)環(huán)端面加工有幾微米的淺槽，槽深一般在2.5～10μm取值。當(dāng)密封端面副間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，槽的泵送效應(yīng)和臺(tái)階效應(yīng)會(huì)在密封端面副間形成穩(wěn)定的有一定剛度的氣膜，這層氣膜保證密封工作在非接觸狀態(tài)，同時(shí)使密封泄漏量從理論上可達(dá)到零泄露水平。

1.2 微分方程

基于 CFD中的動(dòng)壓效應(yīng)[4]基本理論，以及描述絕大部分流體流動(dòng)和傳熱問題的方程，分析推導(dǎo)得出螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)的控制微分方程，它為下面一組笛卡兒坐標(biāo)系下的方程。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：

U，其中是指流速在坐標(biāo)方向的分量；

2 流場(chǎng)數(shù)值分析

2.1 流場(chǎng)基本假設(shè)

基于流體力學(xué)基本理論，并且考慮干氣密封系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)，對(duì)氣膜流場(chǎng)分析時(shí)作了如下假設(shè)[5]：

（1）符合牛頓粘性定律，屬于牛頓流體；

（2）溫度變化視為忽略，可認(rèn)為流場(chǎng)內(nèi)溫度、粘度均相等；

（3）流體視為連續(xù)介質(zhì)，可認(rèn)為密封端面間的氣體流動(dòng)屬于完全氣體流動(dòng)；

（4）忽略工作過程中系統(tǒng)擾動(dòng)和振動(dòng)對(duì)氣膜的影響；

（5）忽略密封端面粗糙度對(duì)氣體流動(dòng)的影響。

2.2 計(jì)算區(qū)域

由于密封端面上螺旋槽呈對(duì)稱性和周期性分布，對(duì)于穩(wěn)態(tài)壓力場(chǎng)，邊界條件也是周期性的，若端面開槽數(shù)為Ng，則可以選擇整個(gè)密封端面的1/Ng份，即一個(gè)槽臺(tái)區(qū)和與之相連的壩區(qū)作為計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域見圖1。

圖1 計(jì)算區(qū)域 (厚度方向放大1000倍)

2.3 氣膜壓力場(chǎng)求解

從計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)的角度出發(fā)，基于完整的控制微分方程，用Pro/E建立一個(gè)周期域內(nèi)的三維幾何實(shí)體。密封端面壓力分布是與流體動(dòng)壓效應(yīng)直接相關(guān)的。因此，對(duì)密封端面流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解，能較全面地對(duì)干氣密封性能做出分析。本文采用FLUENT對(duì)螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解、分析[6]。

密封的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)主要包括密封面中各類直徑(如內(nèi)半徑ri、外半徑r0和平衡直徑rb)、密封面寬度bf、平衡系數(shù)b和螺旋槽的形狀幾何參數(shù)。槽形幾何參數(shù)包括螺旋角α、槽深hg、槽臺(tái)寬比δ、槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比γ和槽數(shù)Ng。干氣密封的主要性能參數(shù)：泄漏量、氣膜剛度，螺旋槽干氣密封兩密封端面間的氣膜阻止著間隙的變化，每單位膜厚變化引起的力的變化稱為剛度，其單位為N/m。

表1為根據(jù)文獻(xiàn)[7]給出的實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)，在研究某個(gè)參數(shù)對(duì)密封性能的影響時(shí)，假定其他參數(shù)值不變。圖2為在此參數(shù)設(shè)置下螺旋槽干氣密封計(jì)算區(qū)域動(dòng)環(huán)端面處氣膜壓力沿半徑方向的分布及與文獻(xiàn)試驗(yàn)值得比較。由圖可得，密封端面間的壓力從外徑到內(nèi)徑逐漸上升，大約在螺旋槽底部壓力最高，由此壓力值與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)值的比較，可以看出二者比較接近，驗(yàn)證了本文理論計(jì)算值與文獻(xiàn)試驗(yàn)值的吻合。

表1 螺旋槽幾何尺寸及運(yùn)行條件

圖2 文獻(xiàn)試驗(yàn)值及計(jì)算值比較（半徑方向的壓力分布）

3 槽型幾何參數(shù)對(duì)密封性能的影響

3.1 密封性能參數(shù)

（1）氣膜剛度

單位氣膜厚度變化引起開啟力的變化稱為氣膜剛度（N／m）。一般說的氣膜剛度指軸向剛度。

上式中，h1和 h2指的是平衡位置附近的微小擾動(dòng)氣膜厚度，相應(yīng)的開啟力分別為f01和f02。無量綱氣膜剛度為：

（2）泄漏量

將其沿圓周積分（內(nèi)徑ID）得到徑向泄漏量：

本研究就槽型幾何參數(shù)對(duì)密封性能參數(shù)中的軸向剛度和泄漏量的影響進(jìn)行分析，分析所用的參數(shù)如表1所示，在研究其中某個(gè)參數(shù)對(duì)密封性能的影響時(shí)，假定其他參數(shù)保持不變。

3.2 參數(shù)對(duì)密封性能的影響

3.2.1 槽臺(tái)寬比δ的影響

圖3 槽臺(tái)寬比δ對(duì)密封性能的影響

由圖3可得，隨著槽臺(tái)寬比的增大，泵入效應(yīng)和階梯效應(yīng)增強(qiáng)，氣膜剛度增加，在δ為0.6時(shí)達(dá)到最大，而后隨著槽臺(tái)寬比的增大而減小。與此同時(shí)，壩區(qū)所占的比例就越小，當(dāng)δ大于0.5時(shí)，泄漏量的影響趨于平緩。

3.2.2 平衡間隙的影響

圖4 平衡間隙對(duì)密封性能的影響

由圖4可得，平衡間隙越小，泄漏量就越小，平衡間隙很小時(shí)氣膜不穩(wěn)定，氣膜剛度很小，隨著平衡間隙的增大，氣膜剛度得到改善而增大，很快達(dá)到一最大值，通過最大值之后，平衡間隙如果繼續(xù)增大氣膜剛度就開始下降了。

3.2.3 槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比γ的影響

圖5 槽長(zhǎng)壩比γ對(duì)密封性能的影響

由圖5可得，隨著槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比的增大，泄漏量持續(xù)增大。軸向剛度隨著槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比的變化先增大后減小，在γ等于0.5左右時(shí)達(dá)到最大值。槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比的增大意味著螺旋槽的加長(zhǎng)，從而密封端面的平均間隙增加，引起泄漏量的增加。同時(shí)螺旋槽的加長(zhǎng)使得階梯效應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)生更大的動(dòng)壓效果，但是螺旋槽過長(zhǎng)將使阻流區(qū)大大減小，流體動(dòng)壓效果將迅速減小，從而使得氣膜的軸向剛度急劇減小。

4 結(jié)束語

本研究對(duì)螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)進(jìn)行建模、確定計(jì)算區(qū)域，根據(jù)螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)控制微分方程，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件包FLUENT進(jìn)行數(shù)值求解、分析，得到了密封計(jì)算區(qū)域動(dòng)環(huán)端面處氣膜壓力沿半徑方向的分布，并與文獻(xiàn)試驗(yàn)值進(jìn)行比較，得出螺旋槽干氣密封能產(chǎn)生較好的流體動(dòng)壓效應(yīng)。

根據(jù)所得的氣膜壓力分布，本研究就槽型幾何參數(shù)（槽臺(tái)寬比、平衡間隙、槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比等）對(duì)密封性能中的軸向剛度和泄漏量的影響進(jìn)行分析，得到了參數(shù)的最佳值，研究結(jié)果為螺旋槽干氣密封的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

[1]顧永泉,體動(dòng)密封(上冊(cè))[M],東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1990,1.

[2]王汝美.新型密封—?dú)怏w密封[J].流體工程,1990(6):34-36.

[3]彭建,左孝桐.不同槽型氣體端面密封研究[J],流體機(jī)械,1996,24(11).

[4]林培鋒,螺旋槽干氣密封穩(wěn)態(tài)特性有限元分析[D],北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001,6.

[5]劉順隆,鄭群,計(jì)算流體力學(xué)[M],哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998,5.

[6]王瑞金,張凱,王剛,Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M],北京:清華大學(xué)出版社,2007,2.

[7]Zuk J,Renkel H.E.Numerical Solutions for the Flow and Pressure Fields in an idealized Spiral Grooved Pumping Seal[J].Proc.of Fourth International Conference on Fluid Sealing.1970,290-301

Numerical Analysis and Parameters Research on Spiral Groove Gas Face Seals Fluid Field

SONG Yuanhong1*, LI FengQin2
(1.College of Equipment Manufacturing,Chengdu Institute of Technology,Sichuan Chengdu,610218,China; 2.Jinan Times Test Machine Co.,Ltd.,Shandong Jinan,250300,China)

Based on the dynamic pressure effect theory of computational fluid dynamics (CFD),establishing controlling differential equation and modeling ,determining the computational region.According to the experimental datas of the literature ,solving the gas film pressure field by adopting FLUENT,obtaining the distribution of the film pressure along the radial direction at the end of the moving ring in the sealed calculation region.This paper studies the performances of gas face seals involved in steady-state performance,groove geometry parameters (mainly leakage and stiffness of gas film) effects of seal parameters,and the optimized spiral groove dry gas seal face groove shape to gain the minimum leakage and the maximum stiffness of gas film,and makes ready for the further research later.

Spiral Groove; dry gas seals; parameter study; gas film flow field; FLUENT

TB42

A

1672-9129(2017)04-0052-04

宋遠(yuǎn)紅,李鳳芹.螺旋槽干氣密封氣膜流場(chǎng)數(shù)值分析及參數(shù)研究[J].數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(4):52-55.

Cite：SONG Yuanhong,LI FengQin.Numerical Analysis and Parameters Research on Spiral Groove Gas Face Seals Fluid Field[J].Peak Data Science,2017,6(4):52-55.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.015

2017-01-19；

2017-02-10。

宋遠(yuǎn)紅（1978-），女，漢族，四川省資陽市人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造技術(shù)。E-mail:1147778179@qq.com