趙赟杰，趙 芳，王紅玉，楊喜博，火堃鈺

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060)

國(guó)內(nèi)對(duì)純氣相的干氣密封和純液相的上游泵送密封研究的很多。例如，李慶展等[1]為明確氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)分別對(duì)高速流體動(dòng)壓密封性能的影響，進(jìn)行兩種相態(tài)的密封性能對(duì)比分析與試驗(yàn)研究，分析了轉(zhuǎn)速、壓差、槽深、槽數(shù)、槽壩比等操作參數(shù)和端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)壓密封氣相和液相的泄漏量、開(kāi)啟力等性能的影響；宋鵬云等[2]根據(jù)螺旋槽窄槽理論，得到螺旋槽干氣密封靜止時(shí)密封端面間氣膜壓力控制方程，并運(yùn)用解析法求解，獲得端面間氣膜壓力分布、開(kāi)啟力和泄漏率等密封性能參數(shù)；丁雪興等[3]基于密封系統(tǒng)和動(dòng)靜環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了潤(rùn)滑氣膜計(jì)算域模型，使用ICEM 劃分網(wǎng)格，采用 Fluent軟件數(shù)值模擬獲得氣膜壓力分布和速度分布，最后通過(guò)牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算得到潤(rùn)滑氣膜摩擦系數(shù)；陳洋洋等[4]用ANSYS Workbench對(duì)螺旋槽干氣密封模型進(jìn)行單向流固耦合分析，得到動(dòng)環(huán)密封端面的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，并研究動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速和介質(zhì)氣體壓力對(duì)動(dòng)環(huán)密封端面應(yīng)力和應(yīng)變的影響。但高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中氣液兩相共存，純氣相和純液相的密封工況已經(jīng)不能滿足實(shí)際的工程需要，得到的密封性能的變化規(guī)律也不再適用，所以研究氣液兩相密封勢(shì)在必行。

本文通過(guò)Fluent對(duì)氣液兩相端面動(dòng)壓密封性能進(jìn)行模擬研究，分析在液氣比一定(0.15)、工況一定的條件下，槽形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響。

1 油氣兩相動(dòng)密封工作原理

動(dòng)壓密封采用動(dòng)環(huán)端面外側(cè)開(kāi)槽的密封結(jié)構(gòu)，密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓介質(zhì)從外側(cè)進(jìn)入密封端面動(dòng)壓槽區(qū)，如圖1所示。進(jìn)入槽區(qū)的介質(zhì)由于螺旋槽的存在隨著螺旋槽一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到螺旋槽根部時(shí)，由于存在階梯效應(yīng)，產(chǎn)生高壓區(qū)，密封端面開(kāi)啟，形成動(dòng)壓密封。

1.密封環(huán);2.計(jì)算模型(厚度放大1000倍)。

油氣兩相動(dòng)壓密封的密封介質(zhì)是氣液混合物。螺旋槽開(kāi)在動(dòng)環(huán)外側(cè)，螺旋線為對(duì)數(shù)螺旋線，表達(dá)式為[5]：

R=Rgeθ tan α

(1)

式中，Rg為槽根半徑，mm；θ為螺旋線轉(zhuǎn)角，α為螺旋角，(°)。

螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，動(dòng)壓密封操作參數(shù)如表2所示，氣液相介質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表1 動(dòng)壓密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 動(dòng)壓密封操作參數(shù)

表3 動(dòng)壓密封介質(zhì)參數(shù)

2 油氣兩相動(dòng)壓密封計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型

研究對(duì)象為動(dòng)靜環(huán)端面間的流體域，研究氣液兩相流動(dòng)情況。由于端面動(dòng)壓槽呈周期性分布，利用周期性邊界條件，取一個(gè)動(dòng)壓槽進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 基本假設(shè)

為了便于分析，本文設(shè)定第一相為空氣，第二相為油滴。針對(duì)動(dòng)壓密封端面流體膜的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)密封流體膜做如下假設(shè):

①密封端面間流體的流動(dòng)為層流；②流體流動(dòng)過(guò)程中溫度、黏度恒定；③油滴均勻的分布在空氣中，油滴之間的相互作用力忽略不計(jì)[6]。

2.3 多相流基本模型

Mixture模型適用于模擬有強(qiáng)烈耦合的各相同性多相流和各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的多相流。根據(jù)本文的流體分布及假設(shè)情況，選擇多相流中的Mixture模型。

1)連續(xù)方程為[7]：

(2)

2)動(dòng)量方程為：

(3)

3)能量方程為:

(4)

4)第二相的體積分?jǐn)?shù)方程為：

(5)

2.4 穩(wěn)態(tài)密封特性參數(shù)

在工況參數(shù)一定、液氣比一定的情況下，得到最大的開(kāi)啟力和最小的泄漏量是對(duì)氣液兩相密封性能最好的解釋，氣膜剛度能反映密封系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了便于分析氣液兩相端面流體膜密封的密封性能，用泄漏量、開(kāi)啟力、氣膜剛度這三個(gè)參數(shù)對(duì)密封性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

①泄露量[8]：泄漏量是反映密封效果的直接參數(shù)，F(xiàn)LUENT軟件可以直接計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流體域出口的介質(zhì)的量，本文分別計(jì)算出氣體的泄漏量和液體的泄漏量。

(6)

②開(kāi)啟力：

(7)

式(6)(7)中：ρg、ρL分別為空氣、油滴的密度，kg·cm-3；vg、vL分別為空氣、油滴的速度，m·s-1；A為面積，m2；P為壓強(qiáng)，Pa。

(8)

式(8)中：h為氣膜厚度，mm。

2.5 邊界條件

模型的邊界條件如圖2所示，其中Top-surface為螺旋槽旋轉(zhuǎn)壁面，Bottom-surface為靜止壁面，A1、A2、B1、B2分別為周期邊界，即壓力的周期性邊界條件[10]：

式中，Ng為動(dòng)壓槽個(gè)數(shù)。

圖2 1/12螺旋槽氣液兩相膜邊界條件設(shè)置

2.6 求解流程及相關(guān)條件設(shè)置

在ICEM中劃分完網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求，將計(jì)算域網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中，設(shè)置材料參數(shù)和工況參數(shù)，采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算，具體的操作步驟如下：

①將質(zhì)量合格的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT，選擇基于壓力的求解器，設(shè)置穩(wěn)態(tài)求解模式；②選擇多相流模型為：Mixture；③選擇層流模型；④添加材料，同時(shí)設(shè)置物性參數(shù)，第一相為空氣，第二相為油滴，不考慮表面張力的影響；⑤按照?qǐng)D2所示設(shè)置壓力入口、壓力出口，并設(shè)置液氣比；⑥按照?qǐng)D2所示設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面、靜止壁面；⑦采用COUPLED算法，壓力的離散格式采用PRESTO格式，動(dòng)量采用一階迎風(fēng)格式，體積分?jǐn)?shù)采用一階迎風(fēng)格式。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 槽深對(duì)動(dòng)壓密封性能的影響

由圖3(a)泄漏量隨槽深的變化看出，動(dòng)壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著槽深的增大先增大后減小，槽深 6 μm 時(shí)達(dá)到最大值；由圖3(b)、(c)看出，開(kāi)啟力、流體膜剛度都隨著槽深的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)開(kāi)啟力 (c)流體膜剛度

3.2 氣膜厚度對(duì)動(dòng)壓密封性能的影響

由圖4(a)泄漏量隨氣膜厚度的變化看出，動(dòng)壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著氣膜厚度的增大而增大；由圖4(b)、(c)看出，開(kāi)啟力隨著氣膜厚度的增大而增大，流體膜剛度隨著氣膜厚度的增大而減小。

(a)泄漏量 (b)開(kāi)啟力 (c)流體膜剛度

3.3 槽數(shù)對(duì)動(dòng)壓密封性能的影響

由圖5(a)泄漏量隨氣膜厚度的變化看出，動(dòng)壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著槽數(shù)的增大而增大；由圖5(b)、(c)看出，開(kāi)啟力、流體膜剛度都隨著槽數(shù)的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)開(kāi)啟力 (c)流體膜剛度

4 結(jié)論

1)動(dòng)壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著槽深的增大先增大后減小，槽深 6 μm 時(shí)達(dá)到最大值，開(kāi)啟力、流體膜剛度都隨著槽深的增大而增大。

2)動(dòng)壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著氣膜厚度的增大而增大，開(kāi)啟力隨著氣膜厚度的增大而增大，流體膜剛度隨著氣膜厚度的增大而減小。

3)動(dòng)壓密封的氣體泄漏量、液體泄漏量、開(kāi)啟力、流體膜剛度都隨著槽數(shù)的增大而增大。