姜紫薇，陳 慶

(吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

機械密封是一種常見的旋轉(zhuǎn)軸密封，其具有良好的密封性、可靠性以及適用性，在現(xiàn)代的各種過程工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用.按照密封端面的接觸狀態(tài)可將其分為接觸式機械密封、半接觸式機械密封和非接觸式機械密封[1].非接觸式機械密封由于流體靜壓或動壓的作用，在正常工作時兩端面會楔開，產(chǎn)生的氣膜或液膜厚度僅有幾微米，改善了原有接觸式機械密封端面的摩擦與磨損，延長了動靜環(huán)的使用壽命[2].

氣體端面密封，具有低泄漏、低磨損和使用壽命長等優(yōu)點.雖然在工作時兩密封端面會被一層極薄的氣膜隔開，但泄漏量與接觸式機械密封十分相近.因此,氣體端面密封廣泛應(yīng)用在具有高速、高壓特性的流體機械中.如今干氣密封的動環(huán)端面可加工成各種槽型，主要有螺旋槽型、圓弧槽型、T型槽型和直線槽型等[3].目前在工業(yè)中應(yīng)用最廣的是螺旋槽型，由于其良好的動壓效應(yīng)，可以在很小的間隙下產(chǎn)生較高的氣膜剛度[4-11].

以下均是對螺旋槽進行的性能分析和參數(shù)優(yōu)化，曹興巖等[12]對螺旋槽的流場進行了分析.劉亞莉等[13]用有限元分析了旋轉(zhuǎn)時螺旋槽動環(huán)的流場壓力和速度分布，并證明氣膜由于受到離心力和泵入作用會影響泄漏量和氣膜剛度.郝木明等[14]用CFD分析了普通、無壩區(qū)、有壩區(qū)三種螺旋槽浮環(huán)密封的結(jié)構(gòu)特點，得出有壩區(qū)浮環(huán)密封的性能最好，且計算出了最優(yōu)參數(shù)值.王濤等[15]對密封端面間的液膜汽化進行了分析，實驗表明液膜汽化易造成密封失效.樓建銘等[16]計算并研究了端面波度，得出間隙的波度收斂會使端面溫度降低.

首先基于Fluent對單螺旋角螺旋槽進行模擬計算的仿真方法，分析端面各個參數(shù)對密封性能的影響，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計出雙螺旋角槽進行模擬計算，二者進行對比，找出最優(yōu)的密封結(jié)構(gòu).

1 螺旋槽干氣密封的基本結(jié)構(gòu)及密封機理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

螺旋槽干氣密封與普通的機械密封結(jié)構(gòu)基本相同，但螺旋槽干氣密封的動環(huán)端面上開有各種不同的螺旋槽，將其密封端面分為螺旋槽、密封堰、密封壩三個部分，如圖1所示.

圖1 螺旋槽結(jié)構(gòu)模型

其中螺旋槽起著泵送作用，產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，密封堰起阻止流體向圓周方向的泄漏，密封壩起阻止流體向半徑方向的泄漏的作用.

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

螺旋槽在柱坐標(biāo)系下的對數(shù)螺旋線方程，其表達式為

r=rgeθtanα=rgeθtanβ.

(1)

式中:rg為起始半徑，mm;θ為角度坐標(biāo);β為螺旋角，°.

由于模型的厚度和徑向尺寸相差較大，所以直接用Mesh很難劃分出高質(zhì)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.且由于螺旋槽的各個流場為軸對稱結(jié)構(gòu)，理論上各個槽區(qū)域的流場情況是一樣的，數(shù)值計算和網(wǎng)格劃分時時只需選擇整個端面的1/N，可用ICEM劃分出周期性網(wǎng)格，如圖2所示.

圖2 區(qū)域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

干氣密封實際工作時，動靜環(huán)的間隙充滿流動氣體，文中數(shù)值計算時取氣體流動區(qū)域為計算對象.用Creo創(chuàng)建出一個圓柱形帶有凸臺的薄片結(jié)構(gòu)，其凸臺對應(yīng)的是螺旋槽結(jié)構(gòu)，下端圓形薄片為端面氣膜.

1.3 計算模型和求解方法

考慮到實驗過程中轉(zhuǎn)速對氣體渦流因素的影響，所以在Fluent的算法中選擇湍流模型取RNGk-ε，其中k和ε的方程為

(2)

(3)

求解器選擇分離的隱式求解器，壓力差值為標(biāo)準(zhǔn)差值格式，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，擴散項和對流項的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式.

2 單螺旋角槽數(shù)值模擬

2.1 單螺旋角槽計算條件

影響螺旋槽干氣密封性能的因素一般分為：轉(zhuǎn)速、槽數(shù)、螺旋角、槽臺比、槽深等.文中干氣密封介質(zhì)選為氮氣，假設(shè)氮氣為理想氣體;螺旋槽幾何尺寸如下:外徑R0=87 mm，槽根處半徑Rg=76 mm，內(nèi)徑Ri=61 mm;入口壓力P0分別選為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 MPa，出口壓力為P2=0.1 MPa;螺旋角β的大小由槽數(shù)決定，螺旋角槽的個數(shù)Ng選為9、10、11、12、13、14、15、16;轉(zhuǎn)速n選為10 000、15 000、20 000、25 000、30 000 r/min;槽深h0選為3、4、5、6、7、8 μm;氣膜厚度h=3、3.5、4、4.5、5、5.5 μm.

2.2 槽數(shù)對干氣密封的影響

由模擬結(jié)果可知，隨著槽數(shù)的增多，螺旋角β逐漸減小，靜壓力逐漸增大.但隨著槽數(shù)的增多，加工難度也越大，當(dāng)槽數(shù)大于15個后，開啟力和泄漏量變化不明顯，由圖3至圖5可以看出槽數(shù)Ng=14時，靜壓最大、泄漏量小，圖5所示螺旋槽的尖端壓力最大為1.04 MPa，產(chǎn)生的動壓效果最好.由圖6所示的螺旋槽徑向壓力的分布曲線可知，在76 mm位置的靜壓比其余任何一個點上的靜壓都大，恰好為螺旋槽的半徑.

槽數(shù)Ng/個圖3 槽數(shù)對靜壓的影響

槽數(shù)Ng/個圖4 槽數(shù)對泄漏量的影響

圖5 槽數(shù)為14時的壓力分布

Position/mm圖6 徑向壓力分布

2.3 轉(zhuǎn)速對干氣密封的影響

轉(zhuǎn)速過低時，氣膜將不產(chǎn)生動壓效應(yīng).隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)子吸入氣體的功率加大，從而引起的動壓增強，致使開啟力增大，如圖7所示.此時，隨著轉(zhuǎn)速提高，吸入的氣體量增加，泄漏量也近似成線性增加，如圖8所示.

轉(zhuǎn)速n/(103r·min-1)圖7 轉(zhuǎn)速對開啟力的影響

轉(zhuǎn)速n/(103r·min-1)圖8 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

2.4 入口壓力對干氣密封的影響

單螺旋角槽模擬時選用的入口壓力最小是0.3 MPa，最大時為0.8 MPa，出口壓力保持0.1 MPa不變.由圖9和10可知，隨著入口壓力的不斷增大，開啟力和泄漏量近似呈線性增加，所以實驗時可根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)娜肟趬毫?

入口壓力P/MPa圖9 入口壓力對開啟力的影響

入口壓力P/MPa圖10 入口壓力對泄漏量的影響

2.5 氣膜厚度對干氣密封的影響

單螺旋角槽研究的氣膜厚度是從3.0 μm至5.5 μm，由圖11可知，開啟力隨氣膜厚度的增加成反比降低；由圖12知，當(dāng)h<4 μm時，氣膜厚度對泄漏量影響不大；當(dāng)h>4 μm時，氣膜厚度對泄漏量的影響非常劇烈.綜合考慮螺旋槽產(chǎn)生的動壓效果和泄漏量，氣膜厚度選擇在3 μm時較為合適.

氣膜厚度h/μm圖11 氣膜厚度對開啟力的影響

氣膜厚度h/μm圖12 氣膜厚度對泄漏量的影響

3 雙螺旋角槽數(shù)值模擬

3.1 模型建立

普通的單螺旋角槽在入口處有一處低壓區(qū)，使吸力面上出現(xiàn)少量的氣體分離.為進一步優(yōu)化其密封性能，設(shè)計出了雙螺旋角的螺旋槽結(jié)構(gòu).圖13所示為雙螺旋角螺旋槽的幾何模型，它是由2個不同大小的螺旋角組成，即吸力面角β1和壓力面角β2.

圖13 雙螺旋角槽的二維模型

從上述單螺旋角干氣密封的模擬結(jié)果，選定操作的參數(shù)和單螺旋角槽一致，除端面幾何的兩個螺旋角不同之外，其他均不變，即入口壓力P0=0.5 MPa，出口壓力P1=0.1 MPa，轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，槽深h0=3 μm，氣膜厚度h=2.5 μm.

3.2 雙螺旋角公差為2°的配合模擬

根據(jù)上述對不同角度螺旋角的密封結(jié)果分析表明，螺旋角β=18°時動壓效果最大、密封性能最好.所以本文在設(shè)計計算的過程中選擇了螺旋角β1、β2公差為2°的幾種情況配合，分別為16°和18°、17°和19°、18°和20°；以及螺旋角公差為3°的配合：16°和19°、17°和20°，并將吸力面和壓力面的兩角度對調(diào)，建立多種模型進行模擬結(jié)果對比.

通過對以下六組螺旋角公差為2°的槽型密封性能分析，當(dāng)吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角時，產(chǎn)生的開啟力大于另一種情況，見表1.當(dāng)泄漏量與單螺旋角相差不大時，雙螺旋角槽產(chǎn)生的開啟力明顯大于單螺旋角槽.這是由于雙螺旋角槽的泵入效應(yīng)強，吸入的氣體流量更大，可以密封高壓氣體.綜上分析，當(dāng)吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角時，密封性能更加優(yōu)良，且當(dāng)螺旋角為19°和17°配合時產(chǎn)生的壓力最大，動壓效果也最明顯.

表1 公差為2°的螺旋角性能分析

3.3 雙螺旋角公差為3°的配合模擬

由上述結(jié)論可知吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角時密封性能更好，所以在計算公差為3°的螺旋角時直接采用19°和16°、20°和17°配合的模型進行模擬，結(jié)果如表2所示.隨著兩組配合的螺旋角β增大，螺旋槽尖端產(chǎn)生壓力峰值降低，泄漏量也在加大.

表2 公差為3°的螺旋角性能分析

從表1和表2的結(jié)論對比分析看來公差為2°的螺旋角槽比公差為3°的螺旋角槽產(chǎn)生的開啟力略大，泄漏量也較小，所以對比來說雙螺旋角槽角度不是相差越大性能就越好，要在原本單螺旋角槽的基礎(chǔ)上稍微改變吸力面螺旋角的大小，所以本文優(yōu)化設(shè)計的公差為2°的雙螺旋角槽密封性能更優(yōu)越.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)螺旋角槽數(shù)Ng=14時，泄漏量較為合適，產(chǎn)生的動壓效果最好；當(dāng)其他條件不變只改變轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越高泄漏量也隨之增大；增大入口壓力時，開啟力和泄漏量都幾乎成線性增加；開啟力隨氣膜厚度的增加而降低，計算得出氣膜厚度在3 μm時較為合適.

(2)基于單螺旋角槽的優(yōu)化參數(shù)，提出了由吸力面β1和壓力面β2組成的雙螺旋角螺旋槽.通過模擬計算對比，雙螺旋角槽的泵入效應(yīng)強，當(dāng)吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角，密封效果更好.

(3)雙螺旋角槽中兩角公差為2°的螺旋角槽比公差為3°的螺旋角槽產(chǎn)生的開啟力略大，泄漏量小，性能最優(yōu).