張偉政 趙吉軍 張獻(xiàn)中 張琦璇

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

干氣密封作為密封裝置的典型代表被應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，其具有泄漏量低、損耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。與傳統(tǒng)機(jī)械密封相比，干氣密封動(dòng)、靜環(huán)之間非接觸，且根據(jù)實(shí)際需要在動(dòng)環(huán)上雕刻出不同形狀的溝槽或織構(gòu)用以增強(qiáng)其動(dòng)壓效應(yīng)，常見(jiàn)的槽型有螺旋槽、T形槽和圓形槽等。干氣密封在運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)環(huán)跟隨軸體轉(zhuǎn)動(dòng)，且其上面的微米級(jí)淺槽分布具有一定的規(guī)律性和周期性。當(dāng)密封氣體進(jìn)入密封間隙后，因其黏度較小而壓力較大，使兩密封端面分開(kāi)，同時(shí)會(huì)在密封端面間形成微米級(jí)氣膜，實(shí)現(xiàn)非接觸式密封[1]；另外氣膜有效地防止了密封介質(zhì)的泄漏，同時(shí)又在隔熱與潤(rùn)滑方面起到了重要的作用。近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)密封技術(shù)的要求不斷提高，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了更為深入的研究[2]。針對(duì)螺旋槽干氣密封的研究，多采用有限元數(shù)值模擬[2]與實(shí)驗(yàn)的方法。通過(guò)對(duì)其流場(chǎng)與流固耦合的分析，可以研究固體形變與流體之間的相互作用影響，從而指導(dǎo)干氣密封槽型的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。隨著ANSYS軟件的不斷發(fā)展與完善，流固耦合的計(jì)算與研究也取得了很大的進(jìn)步，并且流固耦合在工程領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸廣泛起來(lái)。流固耦合的研究計(jì)算不但能節(jié)約大量的時(shí)間，還能夠更加貼近真實(shí)工況。早在20世紀(jì)80年代，ETSION[3-4]就對(duì)機(jī)械密封展開(kāi)研究，為后續(xù)干氣密封的研究做好了充足的準(zhǔn)備；SEDY[5]首次陳述了提升干氣密封性能的方法；BONNEAU等[6]對(duì)槽型氣體推力軸承及槽型氣體密封進(jìn)行了有限元分析；TOUMERIE等[7]探究了螺旋槽幾何機(jī)構(gòu)對(duì)其密封性能的影響；文獻(xiàn)[8-10]對(duì)螺旋槽干氣密封的流場(chǎng)進(jìn)行了分析。2010年，丁雪興課題組利用Fluent流體計(jì)算軟件，針對(duì)不同膜厚的螺旋槽干氣密封流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到流場(chǎng)壓力分布情況，并對(duì)螺旋槽干氣密封的槽深與螺旋角2個(gè)幾何參數(shù)提出了優(yōu)化方案[11-14]。鄧成香[15]基于ANSYS Workbench軟件對(duì)螺旋槽干氣密封流固耦合進(jìn)行了計(jì)算研究。2017年，陳洋洋等[16-17]利用ANSYS軟件，對(duì)螺旋槽干氣密封進(jìn)行了雙向流固耦合計(jì)算，并討論了在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下螺旋槽干氣密封在雙向流固耦合下的密封環(huán)應(yīng)力應(yīng)變情況。2018年，陳文奇等[18]對(duì)雙螺旋角槽干氣密封的槽型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。2020年，左松奇等[19]對(duì)一種新型組合槽型的密封特性進(jìn)行了研究。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)螺旋槽的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬可知，在其背風(fēng)口處有一處明顯的低壓區(qū)，這是由于在螺旋槽的背面產(chǎn)生了一定程度上的氣體分離，為提高傳統(tǒng)螺旋槽的密封性能，本文作者提出一種新型螺旋槽結(jié)構(gòu),利用ANSYS等相關(guān)軟件建立了新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的密封環(huán)模型，在相同工況條件下對(duì)其進(jìn)行了受力分析及選材后對(duì)兩槽型密封端面進(jìn)行流固耦合計(jì)算，比較分析了2種槽型密封環(huán)的應(yīng)力、變形差異。

1 新型螺旋槽密封端面結(jié)構(gòu)

為提高傳統(tǒng)螺旋槽的密封性能，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。在傳統(tǒng)螺旋槽的背風(fēng)口處，并列了一個(gè)相對(duì)較短螺旋槽，且2個(gè)并列螺旋槽的槽深相等，使其成為一個(gè)長(zhǎng)螺旋槽，兩槽的槽深均為微米級(jí)別。建立的新型螺旋槽的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型螺旋槽干氣密封動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)

2 流固耦合基本方程

2.1 流體控制方程

流體在流場(chǎng)中的流動(dòng)遵循基本的物理學(xué)定義(質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律)。

(1)連續(xù)性方程

質(zhì)量守恒方程就是連續(xù)性方程，所有流體在流場(chǎng)中流動(dòng)均要遵循質(zhì)量守恒定律，該方程的微分形式為

(1)

式中:ux、uy、uz分別表示在坐標(biāo)軸3個(gè)方向上的分量，m/s;t為時(shí)間;ρ為密度。

引入哈密頓算子：

(2)

則可將式(1)表示為

(3)

連續(xù)性方程在圓柱坐標(biāo)系中可表示為

(4)

(5)

當(dāng)流體為不可壓縮流體時(shí)，有：

(6)

在圓柱坐標(biāo)下的表示形式為

(7)

(2)動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程遵循牛頓第二定律，根據(jù)牛頓第二定律，可得x、y、z方向上的動(dòng)量方程為

(8)

(9)

(10)

式中：p為流體中微團(tuán)體上的壓力，Pa；τxx、τxy、τxz指分子在黏性的作用下在微單元表面上產(chǎn)生的應(yīng)力τ的分量，Pa；fx、fy、fz分別表示x、y、z方向上的質(zhì)量力，m/s2。

(3)能量守恒方程

根據(jù)能量守恒定律，進(jìn)入微單元熱流量與質(zhì)量力和表面力對(duì)其所作的功等于微單元內(nèi)能量的增加量。表達(dá)式為

(11)

式中:E為微單元的總能量，J/kg，總能量包括內(nèi)能、動(dòng)能以及勢(shì)能，表示為

(12)

h為焓，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff表示其有效熱的傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；Sh表示了化學(xué)反應(yīng)中的熱。

2.2 固體控制方程

由于流場(chǎng)的作用引起固體的振動(dòng)或位移，即固體的控制方程為

(13)

式中:Ms為質(zhì)量矩陣；Cs為阻尼矩陣；Ks為剛度矩陣；ds為固體的位移，mm;τs為固體所受應(yīng)力，MPa。

2.3 耦合控制方程

在分析計(jì)算流固耦合問(wèn)題時(shí)，耦合交界面的固體與流體同樣需滿足相關(guān)的物理學(xué)守恒定律：

τf·nf=τs·ns

(14)

df=ds

(15)

式中：τf與τs分別對(duì)應(yīng)的是流體應(yīng)力和固體應(yīng)力，MPa；df與ds分別對(duì)應(yīng)的是流體位移與固體位移，mm。

3 密封環(huán)模型建立及網(wǎng)格劃分

3.1 密封環(huán)模型的建立

密封環(huán)在不同的操作環(huán)境(壓力、轉(zhuǎn)速)下運(yùn)行，由于流場(chǎng)的作用，導(dǎo)致密封環(huán)在運(yùn)行過(guò)程中，其端面會(huì)有不同程度的形變，這將對(duì)干氣密封的性能以及壽命產(chǎn)生極大影響。由于干氣密封的密封環(huán)具有自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)功能，只要作用力達(dá)到平衡，它就可以恢復(fù)到一個(gè)新的平衡操作間隙。由此可見(jiàn)，密封環(huán)之間的平行對(duì)于減少環(huán)之間的接觸非常重要。

如圖2所示，文中利用SolidWorks建模軟件針對(duì)干氣密封密封動(dòng)環(huán)建立幾何模型。

圖2 2種槽型動(dòng)環(huán)模型

3.2 密封環(huán)的網(wǎng)格劃分

通常情況下，干氣密封的密封槽是刻在動(dòng)環(huán)上的，利用SolidWorks建模軟件對(duì)新型螺旋槽干氣密封建立三維模型。因?yàn)楦蓺饷芊鈿饽こ蓤A周形分布，且結(jié)構(gòu)是中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，故而取整個(gè)氣膜模型的1/Ng作為計(jì)算區(qū)域(Ng為密封端面新型螺旋槽的個(gè)數(shù))。圖3所示為所建立的新型螺旋槽氣膜模型。螺旋槽氣膜均是微米級(jí)的，文中為了方便觀察，將其軸向放大1 000倍。

圖3 新型螺旋槽1/12端面結(jié)構(gòu)

將SolidWorks建模軟件建好的模型導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，干氣密封端面氣膜半徑尺寸為毫米級(jí)別，而其氣膜厚度與開(kāi)槽深度均為微米級(jí)別，兩者存在數(shù)量級(jí)差異。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，這種跨尺度的網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的一個(gè)難點(diǎn)。在ICEM中對(duì)干氣密封氣膜沿軸向放大1 000倍后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，用Scale模塊再將劃分好的網(wǎng)格沿軸向縮小1 000倍即可解決跨尺度劃分網(wǎng)格的問(wèn)題。

采用增加網(wǎng)格密度與沿厚度方向網(wǎng)格的方法來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性。網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置的合理對(duì)于模擬計(jì)算的精度及計(jì)算速度至關(guān)重要。以螺旋槽干氣密封氣膜厚度3 μm、槽深5 μm、槽數(shù)12、螺旋角15°、內(nèi)徑58.42 mm、外徑77.78 mm、槽根半徑9 mm、轉(zhuǎn)速10 000 r/min、入口壓力1 MPa、出口壓力0.1 MPa為例，選取網(wǎng)格數(shù)量為5萬(wàn)～30萬(wàn)進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)開(kāi)啟力變化的影響如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到135 640的時(shí)候，其開(kāi)啟力數(shù)值趨于穩(wěn)定。據(jù)此認(rèn)為：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到135 640的時(shí)候滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。新型螺旋槽的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)與此相同。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

3.3 邊界條件的設(shè)置

新型螺旋槽1/Ng氣膜邊界條件的設(shè)置如圖5所示。由于干氣密封的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是中心對(duì)稱的，每個(gè)計(jì)算區(qū)域的流動(dòng)具有相同性，則壓力周期性邊界條件為：p(θ+2π/12)=p(θ)，在ICEM中對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分并定義part和設(shè)置周期性邊界條件，其中A1、A2、B1、B2為圓周的周期性邊界。Top surface 為新型螺旋槽的旋轉(zhuǎn)壁面，Bottom surface為新型螺旋槽的靜止壁面，Pressure-inlet為新型螺旋槽的壓力入口，Pressure-outlet為其壓力出口。采用單旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)干氣密封的動(dòng)、靜環(huán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。且動(dòng)、靜環(huán)采用溫降邊界條件，其旋轉(zhuǎn)速度為10 000～30 000 r/min，密封介質(zhì)采用空氣。

圖5 新型螺旋槽邊界條件示意

3.4 求解方法

將ICEM中劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行流體域求解，選擇Laminar(層流模型)，并調(diào)用能量方程，算法采用SIMPLEC，密封介質(zhì)為空氣，選用理想氣體模型。對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分法進(jìn)行離散，對(duì)壓力插值采用二階迎風(fēng)格式。將迭代精度設(shè)為1×10-5。將能量方程的迭代精度設(shè)為1×10-6。

4 密封環(huán)的受力分析與材料選擇

4.1 流體進(jìn)入干氣密封環(huán)模型

在計(jì)算干氣密封流固耦合流場(chǎng)時(shí)，流體分別按照速度與壓力2種方式流入流場(chǎng)。按速度方式進(jìn)入：表示為在動(dòng)環(huán)的流體入口處設(shè)置關(guān)于速度的邊界條件；按壓力進(jìn)入：是在動(dòng)環(huán)的流體入口處設(shè)置關(guān)于壓力的邊界條件。如圖6所示，為流體進(jìn)入螺旋槽干氣密封動(dòng)環(huán)時(shí)壓力邊界條件與動(dòng)靜環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 流體進(jìn)入螺旋槽動(dòng)靜環(huán)示意

4.2 干氣密封密封環(huán)的受力分布

當(dāng)干氣密封啟動(dòng)且達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，動(dòng)靜環(huán)之間的受力需達(dá)到平衡。密封環(huán)之間的受力平衡是干氣密封穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提與保證。如圖7所示，為干氣密封密封環(huán)的受力模型。

圖7 動(dòng)靜環(huán)受力示意

4.3 密封環(huán)材料選擇與受力后可能發(fā)生形變的位置

當(dāng)干氣密封在極端的工況下運(yùn)行時(shí)，密封環(huán)由于摩擦碰撞或者受力不均等原因會(huì)發(fā)生不同程度上的變形，密封環(huán)發(fā)生形變的程度與其材料的選擇和各個(gè)地方受到的載荷均有關(guān)系。文中選用碳化鎢(WC)作為干氣密封動(dòng)靜環(huán)的材料來(lái)研究螺旋槽干氣密封與新型螺旋槽干氣密封的密封環(huán)在工作中的應(yīng)力應(yīng)變情況。圖8與圖9所示分別為干氣密封動(dòng)、靜環(huán)可能發(fā)生形變的位置。

圖8 動(dòng)環(huán)發(fā)生形變的4種位置

圖9 靜環(huán)可能發(fā)生形變的4種位置

在極端工況下干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，密封環(huán)材料選擇“硬碰硬”的密封模式會(huì)使其具有更良好的穩(wěn)定性。故選取干氣密封動(dòng)靜環(huán)材料均為碳化鎢(WC)，其材料的物理參數(shù)如表1所示。

表1 2種干氣密封槽型密封環(huán)材料參數(shù)

5 干氣密封流固耦合過(guò)程

由于干氣密封的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用單向流固耦合計(jì)算足以對(duì)密封環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的形變進(jìn)行計(jì)算。文中在Workbench平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，首先調(diào)入Fluid flow(Fluent)流場(chǎng)分析計(jì)算模塊與Static-Structural結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析計(jì)算模塊。并在Fluid flow(Fluent)模塊中導(dǎo)入之前計(jì)算好的date & case(流場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù))文件。之后將流場(chǎng)模塊與結(jié)構(gòu)場(chǎng)模塊進(jìn)行耦合。將Fluid flow模塊中的Solution選項(xiàng)拖動(dòng)至Static-Structural模塊中的set up選項(xiàng)當(dāng)中。以上操作就完成了干氣密封單向流固耦合的信息傳導(dǎo)。然后將干氣密封密封環(huán)模型保存為X-T格式并導(dǎo)入至Static-Structural模塊中的Geometry當(dāng)中，并在model中對(duì)干氣密封的動(dòng)靜環(huán)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并按照實(shí)際工況對(duì)干氣密封的動(dòng)靜環(huán)施加相應(yīng)的約束條件與載荷。之后再在Solve中對(duì)其進(jìn)行求解計(jì)算。圖10與圖11分別表示為干氣密封流固耦合信息傳導(dǎo)過(guò)程與干氣密封密封環(huán)流場(chǎng)壓力加載示意圖。

圖10 流固耦合信息傳導(dǎo)過(guò)程示意

圖11 密封環(huán)流場(chǎng)壓力加載示意

5.1 流固耦合下密封環(huán)應(yīng)力分析

在流場(chǎng)的計(jì)算中，取入口壓力為1 MPa、出口壓力為0.1 MPa、轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、入口溫度為303.15 K、氣膜厚度為3 μm、槽數(shù)為12、螺旋角為15°的螺旋槽干氣密封所形成的氣膜壓力對(duì)密封環(huán)的影響進(jìn)行計(jì)算。

5.1.1 干氣密封動(dòng)環(huán)流固耦合應(yīng)力分析

圖12 2種槽型動(dòng)環(huán)應(yīng)力分布

5.1.2 干氣密封靜環(huán)流固耦合應(yīng)力分析

在干氣密封運(yùn)行過(guò)程中，靜環(huán)是始終保持靜止不動(dòng)的。在分析其流固耦合的過(guò)程中，靜環(huán)不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)而產(chǎn)生更多的應(yīng)力，靜環(huán)只受流場(chǎng)耦合時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的作用與影響。如圖13所示。

由圖13可知，當(dāng)2種槽型的材料與工況相同時(shí)，新型螺旋槽的整體靜環(huán)應(yīng)力值要大于傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)的應(yīng)力值；傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封的靜環(huán)軸向氣膜所產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為1.18 MPa,新型螺旋槽干氣密封靜環(huán)軸向氣膜所產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為1.28 MPa。這是因?yàn)樾滦吐菪鄣臍饽にa(chǎn)生的氣膜力在靜環(huán)表面上分布相比傳統(tǒng)螺旋槽較大，使得在單位面積內(nèi)靜環(huán)所受到的壓力也較大，故導(dǎo)致新型螺旋槽靜環(huán)應(yīng)力比傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)應(yīng)力大。

圖13 2種槽型靜環(huán)應(yīng)力分布

5.1.3 轉(zhuǎn)速對(duì)干氣密封環(huán)流固耦合應(yīng)力的影響

圖14所示為在不同轉(zhuǎn)速下新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的動(dòng)靜環(huán)應(yīng)力分布。

圖14 轉(zhuǎn)速對(duì)2種槽型動(dòng)靜環(huán)最大應(yīng)力的影響

由圖14可知，干氣密封動(dòng)、靜環(huán)所產(chǎn)生的應(yīng)力值隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，且新型螺旋槽的動(dòng)靜環(huán)應(yīng)力值始終大于傳統(tǒng)螺旋槽動(dòng)靜環(huán)應(yīng)力值。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，兩槽型壓力差值也在不斷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速在10 000 r/min時(shí)，兩者動(dòng)環(huán)應(yīng)力差為0.07 MPa，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到25 000 r/min時(shí)，兩者動(dòng)環(huán)應(yīng)力差值為0.2 MPa；導(dǎo)致兩者存在差異的原因可能有：(1)隨著轉(zhuǎn)速的增加，干氣密封的渦動(dòng)與離心效應(yīng)得到了增強(qiáng)；(2)由于新型螺旋槽槽型的原因，使得其應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)致新型螺旋槽的應(yīng)力始終大于傳統(tǒng)螺旋槽。新型螺旋槽的靜環(huán)雖然為靜止不動(dòng)的部件，但是由于動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣膜壓力，最大氣膜壓力與最大應(yīng)力呈擬線性關(guān)系，故使得新型螺旋槽靜環(huán)表面的應(yīng)力也始終大于傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)。

5.1.4 入口壓力對(duì)干氣密封環(huán)流固耦合應(yīng)力的影響

圖15所示為在不同入口壓力下新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的動(dòng)靜環(huán)應(yīng)力分布?？芍S著入口壓力的增大，2種槽型的動(dòng)、靜環(huán)應(yīng)力值均增大。當(dāng)入口壓力為1.25 MPa,出口壓力為0.1 MPa時(shí)，傳統(tǒng)螺旋槽動(dòng)環(huán)的表面應(yīng)力為1.45 MPa，靜環(huán)的表面應(yīng)力為1.39 MPa;新型螺旋槽動(dòng)環(huán)的表面應(yīng)力為1.54 MPa，靜環(huán)的表面應(yīng)力為1.5 MPa。當(dāng)出口壓力保持不變，入口壓力增大至2.75 MPa時(shí)，傳統(tǒng)螺旋槽動(dòng)環(huán)表面應(yīng)力為2.85 MPa，靜環(huán)表面應(yīng)力為2.61 MPa;新型螺旋槽動(dòng)環(huán)的表面應(yīng)力為3 MPa，靜環(huán)的表面應(yīng)力為2.74 MPa。與轉(zhuǎn)速影響趨勢(shì)相似，隨著入口壓力的增加，2種槽型的動(dòng)、靜環(huán)表面應(yīng)力均增大，且新型螺旋槽的應(yīng)力始終大于傳統(tǒng)螺旋槽，并且動(dòng)環(huán)上的應(yīng)力始終大于靜環(huán)，這是由于干氣密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了更多的盈余應(yīng)力。

圖15 入口壓力對(duì)2種槽型動(dòng)靜環(huán)最大應(yīng)力的影響

5.2 流固耦合下干氣密封變形分析

在干氣密封的流場(chǎng)分析中，仍取入口壓力為1 MPa，出口壓力為0.1 MPa，轉(zhuǎn)速設(shè)為10 000 r/min，入口溫度為303.15 K，螺旋槽槽數(shù)為12，螺旋角為15°，氣膜厚度為3 μm，槽深為5 μm，來(lái)探究流固耦合下干氣密封環(huán)變形情況。

5.2.1 干氣密封動(dòng)環(huán)流固耦合變形分析

圖16所示為干氣密封動(dòng)環(huán)流固耦合變形分布。

圖16 2種槽型動(dòng)環(huán)最大變形分布

由圖16可知，新型螺旋槽動(dòng)環(huán)的變形量大于傳統(tǒng)螺旋槽動(dòng)環(huán)的變形量,并且2種槽型發(fā)生變形最大的部位均在槽根處。這是因?yàn)楦蓺饷芊庠谶\(yùn)行過(guò)程中，槽根部所形成的氣膜壓力最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。傳統(tǒng)螺旋槽動(dòng)環(huán)的最大變形量約為0.216 μm，新型螺旋槽動(dòng)環(huán)的最大變形量約為0.232 μm。這是由于新型螺旋槽槽根部相比傳統(tǒng)螺旋槽具有較好的動(dòng)壓效應(yīng)，產(chǎn)生了更大的氣膜力，故使得新型螺旋槽動(dòng)環(huán)的變形量大于傳統(tǒng)螺旋槽。但總體來(lái)看，2種槽型的動(dòng)環(huán)變形量不大，均在允許變形范圍內(nèi)。

5.2.2 干氣密封靜環(huán)流固耦合變形分析

圖17所示為2種槽型干氣密封靜環(huán)的流固耦合變形云圖。

圖17 2種槽型靜環(huán)最大變形分布

由圖17可知，傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)的變形量約為0.214 μm，新型螺旋槽靜環(huán)的變形量約為0.231 μm，相比圖16所示的動(dòng)環(huán)變形量，在該工況下，傳統(tǒng)螺旋槽與新型螺旋槽的動(dòng)靜環(huán)變形量差別甚微，動(dòng)環(huán)變形略大于靜環(huán)變形。這是由于在干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，靜環(huán)保持不變，動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更大的氣膜力使其發(fā)生變形。

5.2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)干氣密封環(huán)流固耦合變形的影響

圖18所示為不同轉(zhuǎn)速下對(duì)干氣密封動(dòng)、靜環(huán)變形的影響。

圖18 不同轉(zhuǎn)速對(duì)2種槽型動(dòng)靜環(huán)最大變形的影響

由圖18可知，無(wú)論是哪種槽型，隨著轉(zhuǎn)速的增加，動(dòng)、靜環(huán)的變形量均增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí)，傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.214 μm，動(dòng)環(huán)變形量約為0.216 μm;新型螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.231 μm，動(dòng)環(huán)變形量約為0.232 μm。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至25 000 r/min時(shí)，傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.3 μm，動(dòng)環(huán)變形量約為0.34 μm;而新型螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.32 μm，動(dòng)環(huán)變形量約為0.36 μm。在23 000 r/min后，兩槽的動(dòng)環(huán)變形量急劇增大，說(shuō)明密封環(huán)的變形對(duì)于高轉(zhuǎn)速較為敏感。而2種槽型的動(dòng)、靜環(huán)的變形量均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，這也同時(shí)印證了應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加的趨勢(shì),從而說(shuō)明了干氣密封動(dòng)靜環(huán)的變形也是由于流場(chǎng)中的應(yīng)力所致。綜合分析得知，新型螺旋槽的動(dòng)靜環(huán)變形量始終大于傳統(tǒng)螺旋槽,這是由于新型螺旋槽槽根部具有較強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，無(wú)論是傳統(tǒng)螺旋槽還是新型螺旋槽，動(dòng)環(huán)的變形量始終大于靜環(huán)的變形量。

5.2.4 入口壓力對(duì)干氣密封環(huán)流固耦合變形的影響

圖19所示為2種干氣密封槽型動(dòng)、靜環(huán)變形隨著入口壓力的變化曲線。可知，2種槽型的動(dòng)、靜環(huán)的變形量均隨著入口壓力的增加而增大，并且變化趨勢(shì)與應(yīng)力隨著入口壓力的變化趨勢(shì)相似。當(dāng)入口壓力為1.25 MPa時(shí)，傳統(tǒng)螺旋槽的動(dòng)環(huán)變形量約為0.255 μm，靜環(huán)變形量約為0.253 μm;新型螺旋槽動(dòng)環(huán)變形量約為0.275 μm，靜環(huán)變形量約為0.272 μm。當(dāng)入口壓力增大至2.75 MPa時(shí)，傳統(tǒng)螺旋槽動(dòng)環(huán)變形量約為0.5 μm，靜環(huán)變形量約為0.48 μm;新型螺旋槽的動(dòng)環(huán)變形量約為0.55 μm，靜環(huán)形變量約為0.49 μm。

圖19 不同入口壓力對(duì)2種槽動(dòng)靜環(huán)最大變形量的影響

通過(guò)對(duì)比圖18中不同轉(zhuǎn)速對(duì)干氣密封環(huán)變形的影響可知：入口壓力的改變對(duì)2種槽型的動(dòng)靜環(huán)產(chǎn)生的影響更大，隨著入口壓力的增大，2種槽型的動(dòng)靜環(huán)變形均增大，但動(dòng)環(huán)的變形量始終大于靜環(huán)，而新型螺旋槽動(dòng)靜環(huán)的變形量也是略大于傳統(tǒng)螺旋槽。

文中2種槽型干氣密封動(dòng)、靜環(huán)的流固耦合應(yīng)力和形變分析結(jié)果,與文獻(xiàn)[16-17，19]的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了文中建立的模型和分析結(jié)果的正確性。

6 結(jié)論

提出一種新型螺旋槽結(jié)構(gòu),利用ANSYS等相關(guān)軟件建立新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的密封環(huán)模型，在不同轉(zhuǎn)速和入口壓力下比較分析了2種槽型密封環(huán)的應(yīng)力、變形差異。主要結(jié)論如下：

(1)提出一種新型螺旋槽結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)螺旋槽的對(duì)比研究表明，隨著轉(zhuǎn)速與入口壓力的增加，傳統(tǒng)螺旋槽與新型螺旋槽的動(dòng)、靜環(huán)最大應(yīng)力均呈上升趨勢(shì)，且2種槽型動(dòng)環(huán)的最大應(yīng)力均位于槽根處，動(dòng)環(huán)的應(yīng)力始終大于靜環(huán)的應(yīng)力，新型螺旋槽的應(yīng)力始終大于傳統(tǒng)螺旋槽的應(yīng)力。

(2)隨著轉(zhuǎn)速與入口壓力的增加，傳統(tǒng)螺旋槽與新型螺旋槽動(dòng)、靜環(huán)的最大變形均呈增大趨勢(shì)，且2種槽型動(dòng)環(huán)的最大變形均位于槽根處，動(dòng)環(huán)的變形量始終大于靜環(huán)的變形量，新型螺旋槽的變形始終大于傳統(tǒng)螺旋槽的變形。

(3)研究表明，新型螺旋槽的開(kāi)啟力、泄漏量及剛度等干氣密封性能均優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槽。