摘要：為評估天然氣摻氫對管線壓縮機軸端干氣密封性能的影響，提出一種考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型，分析了不同摻氫比下干氣密封的靜態(tài)特性和啟動特性。首先，采用空氣介質(zhì)螺旋槽干氣密封的氣膜壓力分布和開啟力實驗數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模型的可靠性；然后，針對GE PCL800機型天然氣管線壓縮機螺旋槽干氣密封，分析了4種摻氫比（H2體積分?jǐn)?shù)分別為0、10%、20%、30%）和5種進(jìn)口壓力（4、6、8、10、12MPa）對干氣密封開啟力、泄漏量和氣膜剛度等靜態(tài)特性的影響規(guī)律；最后，分析了4種摻氫比和5種進(jìn)口壓力下，轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力、平衡比和彈簧比壓對干氣密封啟動特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：所提出的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型能夠可靠預(yù)測高壓差下干氣密封出口阻塞效應(yīng)及其對密封性能的影響；摻氫比對干氣密封開啟力、泄漏量和氣膜剛度等密封靜態(tài)特性影響較??；干氣密封開啟臨界轉(zhuǎn)速隨摻氫比的增加而增大（摻氫比增加30%時，開啟臨界轉(zhuǎn)速增大8.51%～16.90%），因此天然氣摻氫增大了干氣密封的開啟難度，需設(shè)計合適的平衡比和彈簧比壓以保證干氣密封順利開啟。該研究結(jié)果可為摻氫條件下天然氣管線壓縮機軸端干氣密封的高效設(shè)計和可靠運行提供理論參考。

關(guān)鍵詞：干氣密封；摻氫天然氣；阻塞效應(yīng)；啟動特性

中圖分類號：TH136 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202403008 文章編號：0253-987X（2024）03-0082-13

Study on Startup Characteristics of Dry Gas Seal with Hydrogen-Blended Natural Gas

XIA Yongbo1， HUAN Xuanzhou2， LI Zhigang， LI Jun1

（1. Institute of Turbomachinery， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co.[KG-*4]， Ltd.[KG-*4]， Xi’an 710054， China）

Abstract：To evaluate the influence of hydrogen-blended natural gas on dry gas seal （DGS） at the shaft end of pipeline compressor， a numerical prediction model of DGS performance considering choked flow effect is proposed， as well as the static characteristics and the startup characteristics under different hydrogen-blended ratios are analyzed. Firstly， the reliability of the numerical model is verified by the experimental data of gas film pressure distribution and opening force of air medium spiral groove DGS. Then， aiming at the spiral groove DGS of GE PCL800 natural gas pipeline compressor， the effects of four hydrogen-blended ratios （volume fraction of H2 of 0， 10%， 20% and 30%， respectively） and five inlet pressures （4， 6， 8， 10 and 12MPa） on the static characteristics are analyzed. Finally， the effects of rotational speed， inlet pressure， balance ratio and spring specific pressure on the startup characteristics are discussed. The results show that the prediction model can predict effectively the influence of choked flow on seal performance under high pressure difference. The hydrogen-blended ratio has little influence on the static characteristics， such as opening force， leakage and gas film stiffness. The critical opening speed （the opening critical speed increases 8.51%—16.90% when the hydrogen blended ratio increases 30%） of DGS increases with the increase of hydrogen-blended ratios and the opening difficulty increases after hydrogen-blending. In addition， choosing appropriate balance ratio and spring specific pressure is beneficial to the smooth opening of DGS. The research work can provide theoretical reference for the efficient design and reliable operation of DGS at the shaft end of natural gas pipeline compressor after hydrogen-blending.

Keywords：dry gas seal; hydrogen-blended natural gas; choked flow effect; startup characteristics

氫能作為一種高效、可再生的清潔能源，將成為加快能源低碳轉(zhuǎn)型、助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要力量［1］。為降低管道維護(hù)及建設(shè)成本，借助已有的天然氣管道輸送天然氣和氫氣（H2）的混合氣體，是當(dāng)下大規(guī)模、長途輸送氫氣的最佳方式。目前，國內(nèi)已動工建設(shè)首條總長258km的摻氫高壓輸氣管道［2］。長輸管線壓縮機輸送的介質(zhì)為易燃、易爆［3］的天然氣，工作壓力高達(dá)8MPa左右，摻氫后應(yīng)避免大量管內(nèi)混合氣體泄漏至外界［4］。作為管線壓縮機的關(guān)鍵部件，干氣密封（DGS）產(chǎn)生的泄漏量微小，并且具有安全穩(wěn)定、低功耗、壽命長的特點，因此開展摻氫對干氣密封性能影響的研究對確保摻氫天然氣管線壓縮機長期可靠運行具有重要意義。

近年來，大量學(xué)者對天然氣管道摻氫輸送技術(shù)開展了相關(guān)研究。劉方等［5］測試了摻氫比（體積分?jǐn)?shù)φ（H2））為0～10%的天然氣的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)摻氫比低于10%的摻氫天然氣能正常用于用氣設(shè)備。Molnarne等［6］發(fā)現(xiàn)摻氫比達(dá)到25%以上時，爆炸極限范圍明顯擴大。此外，Haeseldonckx等［7］發(fā)現(xiàn)天然氣摻氫后，增加了壓縮機的運行轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高了對壓縮機材料的要求。周靜［8］通過模擬摻氫比為0～30%壓縮機的運行過程，指出較高的摻氫比會造成更大的能量損失，并在出口處引發(fā)回流及喘振現(xiàn)象。陳珂等［9］研究了天然氣摻氫比（0～20%）對離心壓縮機氣動性能和喘振邊界的影響，發(fā)現(xiàn)摻氫后壓縮機穩(wěn)定工作范圍減小。然而，關(guān)于摻氫天然氣長距離管道輸送的標(biāo)準(zhǔn)尚不完備，亟需開展摻氫比對天然氣管線壓縮機及其軸端干氣密封影響的研究。

相關(guān)學(xué)者考慮實際氣體效應(yīng)，探究了多種工質(zhì)的物性和組分對干氣密封的影響。敖家佩等［10］結(jié)合氣體傳感器陣列與信息融合技術(shù)，提出一種管道天然氣多組分濃度在線監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)對天然氣組分濃度在線監(jiān)測精度最高可達(dá)99%。孫雪劍等［11］針對螺旋槽干氣密封，探究了高壓下天然氣混合實際氣體和理想氣體的區(qū)別。宋鵬云［12］考慮實際氣體效應(yīng)的影響，分析了氫氣實際氣體和理想氣體在干氣密封性能上的差異。沈偉［13］分析了高壓高速超臨界CO2（SCO2）干氣密封的穩(wěn)態(tài)特性，并考慮實際氣體效應(yīng)、慣性效應(yīng)和實際流態(tài)對干氣密封的影響規(guī)律。宋鵬云等［14］借助CFD軟件，研究了實際氣體效應(yīng)對螺旋槽干氣密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)壓力低于4.6MPa時，氫氣、氮氣和二氧化碳與理想氣體差異較小。Ma等［15］以濕空氣為工質(zhì)，得到了氣體在干氣密封中凝結(jié)的條件和影響因素。袁韜等［16］以SCO2實際氣體為工質(zhì)，數(shù)值分析了5種螺旋槽深度和4種螺旋角對干氣密封靜態(tài)特性的影響。以上研究主要以二氧化碳、天然氣、氫氣等為研究對象，有待進(jìn)一步明確天然氣摻氫后對干氣密封的影響。

科研人員對干氣密封的研究集中在穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性，關(guān)于啟動特性的研究尚不充分，并且較少考慮阻塞效應(yīng)的影響。李雙喜等［17］基于臨界氣膜厚度的假設(shè)，提出以開啟臨界轉(zhuǎn)速作為分析干氣密封啟動特性的判據(jù)。彭旭東等［18］基于雷諾方程，建立了3種型槽端面密封的動壓啟動特性分析模型，數(shù)值分析了密封壓力、平衡比等密封參數(shù)對啟動特性的影響規(guī)律。天然氣管線壓縮機干氣密封工作壓力高，密封介質(zhì)處于阻塞狀態(tài)，并且流道在密封出口處繼續(xù)擴張。Johnson等［19］最先發(fā)現(xiàn)高速泵出式端面密封的阻塞現(xiàn)象。章聰?shù)龋?0］對比了阻塞和強制出口壓力邊界下干氣密封的馬赫數(shù)分布，結(jié)果表明兩種邊界在中上游區(qū)域無明顯差別，但強制壓力邊界條件下出口馬赫數(shù)達(dá)到7.0，與實際相悖。Thomas等［21］和Bai等［22］通過編程的方法，考慮了阻塞效應(yīng)對干氣密封的影響，結(jié)果顯示當(dāng)壓力超過2MPa時，出口馬赫數(shù)達(dá)到1.37，會發(fā)生阻塞現(xiàn)象。Xu等［23］考慮了實際氣體效應(yīng)和阻塞效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)阻塞效應(yīng)會增大開啟力，降低泄漏量，并降低密封間隙內(nèi)的流體溫度。由此可見，目前考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封啟動特性的研究較少，并且主要采用編程方法。

本文提出一種考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型，采用實驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值預(yù)測模型的可靠性，并選擇商業(yè)軟件ANSYS CFX，以摻氫天然氣為密封工質(zhì)，分析了4種摻氫比（0、10%、20%、30%）和5種進(jìn)口壓力（4、6、8、10、12MPa）對干氣密封靜態(tài)特性的影響規(guī)律，以及4種摻氫比和5種進(jìn)口壓力下，轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力、平衡比和彈簧比壓對干氣密封啟動特性的影響規(guī)律，以期為摻氫條件下天然氣管線壓縮機軸端干氣密封的高效設(shè)計和可靠運行提供理論參考。

1 考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型

1.1 數(shù)值預(yù)測模型

干氣密封結(jié)構(gòu)主要由靜環(huán)、與轉(zhuǎn)子相連的動環(huán)和聯(lián)結(jié)部件（波紋管、彈簧等）組成，在動環(huán)端面均勻加工若干動壓槽。設(shè)ri、ro、rb、rg分別為內(nèi)徑、外徑、平衡半徑、槽根徑，hf、hg分別為氣膜厚度、槽深，干氣密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。運行時，高壓的密封工質(zhì)被泵入兩密封端面之間，在流經(jīng)收斂的間隙被壓縮產(chǎn)生流體動壓力，迫使靜環(huán)和動環(huán)分離，并形成一層極薄的氣膜（厚度為2.5～10μm），從而阻滯了工質(zhì)向低壓側(cè)的流動，起到極好的密封效果。

針對高速、高壓差下干氣密封間隙內(nèi)流體的流動，一旦流體速度增加至當(dāng)?shù)芈曀?，會在密封出口產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，并通過密封出口與外界環(huán)境的壓力差克服流動摩擦。圖2給出了一種考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型（沿軸向放大1000倍），在主密封出口處增加出口擴張段，以預(yù)測主密封出口流道擴張對密封性能的影響，密封工質(zhì)由壩區(qū)進(jìn)入出口擴張段后繼續(xù)膨脹，壓力逐漸降低至外界環(huán)境壓力。根據(jù)轉(zhuǎn)軸和密封環(huán)內(nèi)徑之間的可用徑向距離，出口擴張段的徑向長度（hb）取主密封徑向長度的2.3%～4.6%［24］；為避免工質(zhì)在出口擴張段內(nèi)劇烈膨脹，軸向?qū)挾龋╨b）取氣膜厚度的2倍。

1.2 流動狀態(tài)判據(jù)

Brunetiere等［25］將流動系數(shù)（k）作為判斷密封端面氣膜流動狀態(tài)的依據(jù)。流動系數(shù)（k）的定義為

其中，ρ為氣體的密度，ω為轉(zhuǎn)速，r為極徑，h為氣膜厚度，Vr為徑向流速，μ為氣體黏度。

當(dāng)流動系數(shù)kgt;1時，流動狀態(tài)為湍流；當(dāng)流動系數(shù)klt;0.5625時，流動狀態(tài)為層流；當(dāng)流動系數(shù)0.5625≤k≤1時，流動狀態(tài)為過渡流。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了驗證數(shù)值預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，本文選取Gabriel［26］以空氣為密封工質(zhì)的干氣密封實驗數(shù)據(jù)，計算模型和邊界條件見圖3。針對流動系數(shù)最小的工況，由式（2）（3）得到Rec=1612、Rep=1532，流動系數(shù)k=1.21gt;1，因此所計算的工況均處于湍流狀態(tài)，并采用SST湍流模型［16］分析干氣密封的流動特性。

采用22萬、56萬、88萬、136萬和198萬共5套網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，與氣膜厚度為3.05μm時不同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量的開啟力和泄漏量進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量由136萬增至198萬后，開啟力變化幅度小于0.1%，泄漏量變化幅度小于0.5%，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。綜合考慮計算資源消耗和結(jié)果精度，本文計算采用136萬網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量。

1.4 模型驗證

為了對所提出的考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型進(jìn)行考核驗證，采用傳統(tǒng)的無出口擴張段模型、加出口擴張段即考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型計算兩種氣膜厚度（3.05、5.08μm）下的壓力分布和開啟力，并與文獻(xiàn)［26］的實驗結(jié)果（氣膜厚度為3.05、5.08時，槽根最大壓力分別為4.83、4.13MPa，開啟力分別為33.17、29.57kN）進(jìn)行比較。圖5給出了兩種氣膜厚度下，沿徑向方向的周向平均壓力分布曲線。可以看出，在兩種氣膜厚度下，相較于傳統(tǒng)的無出口擴張段模型，加出口擴張段模型的計算結(jié)果和實驗值更吻合，并且阻塞效應(yīng)對密封壓力的影響主要體現(xiàn)在壩區(qū)。表1給出了兩種氣膜厚度的槽根處壓力峰值和開啟力及其與實驗值的誤差?？梢钥闯?，在兩種氣膜厚度下，加出口擴張段模型的計算結(jié)果與實驗值更接近，槽根最大壓力誤差為1.94%，開啟力最大誤差為3.77%。

圖6為傳統(tǒng)的無出口擴張段模型和加出口擴張段模型所得到的阻塞工況下干氣密封端面氣體的馬赫數(shù)分布。可以看出，在兩種氣膜厚度下，傳統(tǒng)的無出口擴張段模型密封出口施加強制壓力邊界條件，出口馬赫數(shù)分別達(dá)到1.33和1.82，產(chǎn)生了阻塞現(xiàn)象，并且氣膜厚度為5.08μm時，密封出口的馬赫數(shù)更大，阻塞現(xiàn)象更明顯。加出口擴張段即考慮了阻塞效應(yīng)，兩種氣膜厚度下主密封出口的馬赫數(shù)分別達(dá)到0.5和0.8。主密封出口不再是傳統(tǒng)的強制壓力邊界條件，而是在出口擴張段出口施加壓力邊界條件，工質(zhì)在主密封出口的壓力梯度減小，馬赫數(shù)增幅也減小，保證了主密封出口的流速低于當(dāng)?shù)芈曀?。此外，主密封出口壓力高于外界環(huán)境壓力，工質(zhì)能夠在出口擴張段內(nèi)進(jìn)一步膨脹，壓力逐漸降低至外界環(huán)境壓力，考慮了主密封出口流道擴張對密封性能的影響，在出口擴張段馬赫數(shù)分別增加至0.73和1.3，并且在出口擴張段內(nèi)的馬赫數(shù)增幅取決于主密封出口和外界環(huán)境的壓力差。因此，相較于傳統(tǒng)的無出口擴張段模型，本文提出的考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型能夠預(yù)測阻塞效應(yīng)對密封工質(zhì)流動的影響，更符合實際流動。

2 天然氣管線壓縮機軸端干氣密封結(jié)構(gòu)

2.1 干氣密封幾何結(jié)構(gòu)

基于文獻(xiàn)［27］中GE PCL800機型天然氣管線壓縮機一級干氣密封，建立了圖7所示的考慮阻塞效應(yīng)的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型（沿軸向放大1000倍）。表2列出了PCL800機型壓縮機配置的干氣密封端面槽型參數(shù)。其中出口擴張段的徑向長度取為主密封徑向長度的4.0%，出口擴張段的軸向?qū)挾热闅饽ず穸鹊?倍。干氣密封在動環(huán)端面上沿周向均勻開有24個動壓槽，因此計算域選取整周流體域的1/24，周向兩個側(cè)面采用旋轉(zhuǎn)周期邊界。干氣密封的動壓槽采用對數(shù)螺旋槽，螺旋槽型線為

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

如圖8所示，采用商業(yè)軟件ICEM CFD對干氣密封計算域生成三維多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在主密封進(jìn)口、動壓槽根部和出口擴張段的出口采用網(wǎng)格局部加密方式以準(zhǔn)確捕捉密封工質(zhì)的流動特性，所生成的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格沿軸向設(shè)置22～30個節(jié)點。

針對本文流動系數(shù)最小的工況，由式（2）（3）得到Rec=341、Rep=1787，流動系數(shù)k=0.81，因此所計算的工況處于過渡流或湍流狀態(tài)。本文采用SST湍流模型進(jìn)行干氣密封特性分析。

干氣密封的邊界條件設(shè)置如圖9所示。計算域整體設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，沿周向兩側(cè)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期交界面，進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，與靜環(huán)接觸的壁面設(shè)置為靜止壁面，與動環(huán)接觸的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。表3給出了干氣密封的運行條件，其中干氣密封的進(jìn)口壓力（表壓）在4～12MPa（若無特別指出，進(jìn)口壓力均為8MPa）。天然氣的氣體組分見表4，摻入氫氣的體積分?jǐn)?shù)在0～30%范圍內(nèi)，采用RK實際氣體模型預(yù)測密封工質(zhì)的實際氣體行為。

2.3 開啟臨界工況

在實際應(yīng)用中，由于密封端面表面粗糙度、端面平衡度誤差等因素的影響，密封端面形成很多大小不一的微凸體。在干氣密封啟動過程前期，與轉(zhuǎn)子相連的動環(huán)轉(zhuǎn)速較低，干氣密封動壓效應(yīng)較弱，所產(chǎn)生的開啟力小于閉合力，密封端面的微凸體相互接觸磨損，密封副處于混合潤滑狀態(tài)。隨著運行轉(zhuǎn)速不斷增大，動壓效應(yīng)逐漸增強，當(dāng)開啟力增大至與閉合力相平衡時，干氣密封處于開啟臨界狀態(tài)，密封端面上相互接觸的微凸體由接觸狀態(tài)脫離至非接觸狀態(tài)，密封副轉(zhuǎn)變?yōu)橛闪黧w膜完全隔開的全膜潤滑狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升，動壓效果不斷加強，氣膜厚度逐漸增大，始終保持開啟力與閉合力相等，以維持干氣密封穩(wěn)定運行。干氣密封處于開啟臨界狀態(tài)時，密封端面間的開啟力可看作與某一微小膜厚產(chǎn)生的開啟力相當(dāng)。因此，開啟臨界膜厚可作為判斷密封端面是否開啟的依據(jù)：當(dāng)氣膜厚度小于開啟臨界膜厚時，密封端面相互接觸，處于閉合狀態(tài)；反之，密封端面處于開啟狀態(tài)。開啟臨界膜厚（hc）取密封副表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差的3倍［29］，計算公式為

式中：σs為密封副表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差；Ra1、Ra2分別為靜環(huán)、動環(huán)表面粗糙度。

動環(huán)采用無壓燒結(jié)碳化硅材料，靜環(huán)采用表面噴有耐磨涂層的碳化硅材料［27］，表5給出了干氣密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)。將靜、動環(huán)表面粗糙度Ra1、Ra2［17，30］代入式（8），可計算出開啟臨界膜厚hc=1.06μm。

在干氣密封達(dá)到開啟臨界狀態(tài)時，密封端面相互脫離，接觸力為0。在開啟臨界工況下，氣膜厚度為開啟臨界膜厚，開啟力和閉合力平衡時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為開啟臨界轉(zhuǎn)速（nc），用來表征干氣密封動壓開啟的難易程度。閉合力（Fc）定義為流體壓力和彈簧件沿軸向作用在密封副的載荷之和，表達(dá)式為

式中：po、pi分別為進(jìn)、出口壓力；psp為彈簧比壓。

3 結(jié)果與分析

3.1 摻氫天然氣干氣密封靜態(tài)特性

3.1.1 摻氫天然氣密度和黏度隨壓力的變化

為研究壓力變化對摻氫天然氣物性的影響規(guī)律，圖10給出了70℃條件下?lián)綒涮烊粴獾拿芏群宛ざ入S壓力的變化曲線，摻氫天然氣的物性數(shù)據(jù)來自物性數(shù)據(jù)庫NIST REFPROP。從圖10可以看出，隨著壓力的增加，摻氫天然氣的密度和黏度均增加，并且摻氫比越大，偏離純天然氣工況的程度越大。在相同壓力下，由于天然氣的相對分子質(zhì)量大于氫氣，因此摻氫后密度和黏度會下降，且摻氫比越高，下降程度越大。

3.1.2 開啟力和泄漏量隨進(jìn)口壓力的變化

開啟力和泄漏量隨進(jìn)口壓力的變化如圖11所示?？梢钥闯觯?種摻氫比工況下開啟力和泄漏量都隨著進(jìn)口壓力的增加而增加。當(dāng)進(jìn)口壓力增加時，密封端面的膜壓更高，開啟力相應(yīng)增加，泵入密封內(nèi)的氣體量更多，導(dǎo)致泄漏量增加，并且摻氫比越高，開啟力和泄漏量偏離純天然氣工況的程度越大。在相同的進(jìn)口壓力下，摻氫降低了摻氫天然氣的密度，泵入的氣體量下降，黏度下降減弱了剪切作用，動壓效應(yīng)減小，共同導(dǎo)致干氣密封內(nèi)的膜壓更低，開啟力相應(yīng)下降，但摻氫比對開啟力的影響程度較小，開啟力僅降低了0.80%～0.96%。此外，摻氫天然氣黏度的下降減小了密封端面的氣體流動阻力，增加了泵入的氣體量，但摻氫后混合氣體密度的下降直接減小了工質(zhì)流量，且密度的影響占主導(dǎo)作用，密度和黏度的共同作用導(dǎo)致天然氣摻氫后泄漏量降低了19.03%～24.87%。

3.1.3 開啟力、泄漏量和氣膜剛度隨氣膜厚度的變化

摻氫比對干氣密封開啟力、泄漏量和氣膜剛度的影響隨氣膜厚度的變化規(guī)律如圖12和圖13所示。由圖12可知，在進(jìn)口壓力8MPa下，隨著氣膜厚度由1.5μm增加至4.5μm，開啟力逐漸下降，泄漏量增加，氣膜剛度下降。在轉(zhuǎn)速一定時，氣膜厚度的增加會降低干氣密封的靜壓效應(yīng)，使膜壓較低，進(jìn)而導(dǎo)致開啟力下降；氣膜厚度的增加使進(jìn)氣有效面積增大，導(dǎo)致氣體量增大，泄漏量增加；過大的氣膜厚度會減弱工質(zhì)的剪切作用，導(dǎo)致靜態(tài)氣膜剛度下降。此外，摻氫后混合氣體的密度和黏度下降，共同導(dǎo)致干氣密封內(nèi)膜壓降低，開啟力相應(yīng)下降；摻氫后混合氣體密度的下降直接減小了泵入干氣密封的工質(zhì)流量，且密度對泄漏量的影響占主導(dǎo)作用，密度和黏度的共同作用導(dǎo)致泄漏量降低；摻氫后氣體黏度的下降減弱了剪切作用，使氣膜剛度下降。由圖13可知，與進(jìn)口壓力8MPa相比，壓力為12MPa時開啟力、泄漏量和氣膜剛度更大，但摻氫比對干氣密封開啟力、泄漏量和氣膜剛度的影響規(guī)律一致。摻氫比導(dǎo)致開啟力下降了0.13%～2.74%，泄漏量下降了16.51%～26.72%，氣膜剛度下降了13.19%～17.52%?？梢?，摻氫比對干氣密封靜態(tài)特性影響較小。

為了更直觀地觀測結(jié)果，圖14給出了兩種進(jìn)口壓力下密封端面的氣膜壓力分布。由于動壓槽的動壓效應(yīng)，氣膜壓力在動壓槽根部達(dá)到最大，在壩區(qū)迅速下降，并在出口擴張段出口處壓力梯度最大。在8MPa和12MPa進(jìn)口壓力下，主密封出口壓力分別降至1.0MPa和1.5MPa，考慮阻塞效應(yīng)后，12MPa進(jìn)口壓力下的主密封出口壓力更高。圖15給出了兩種進(jìn)口壓力下密封端面的馬赫數(shù)分布。從圖中可知，在8MPa和12MPa進(jìn)口壓力下，主密封出口馬赫數(shù)分別達(dá)到0.47和0.7，并且工質(zhì)能夠在出口擴張段內(nèi)繼續(xù)膨脹，壓力逐漸降低至外界環(huán)境壓力，馬赫數(shù)進(jìn)一步增加。相較于8MPa進(jìn)口壓力，12MPa壓力下密封端面內(nèi)的馬赫數(shù)更高，阻塞現(xiàn)象更明顯，在出口擴張段出口處速度梯度最大，馬赫數(shù)達(dá)到最高。

3.2 摻氫天然氣干氣密封啟動特性

3.2.1 開啟力和泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化

在開啟臨界工況下，干氣密封的平衡膜厚為開啟臨界膜厚，開啟力和泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖16所示。由圖可知，在轉(zhuǎn)速逐漸增加至工作轉(zhuǎn)速6 405r/min的過程中，開啟力和泄漏量持續(xù)增加，這是由于轉(zhuǎn)速的增加直接增強了動壓效應(yīng)，單位時間泵入密封的氣體量增大，使氣膜壓力增大，導(dǎo)致開啟力和泄漏量增加。另外，在相同轉(zhuǎn)速下，摻氫比越高的工況氣膜壓力更低，開啟力低于純天然氣工況。摻氫天然氣黏度的下降導(dǎo)致氣體流動阻力減小，增加了泵入的氣體量；但摻氫后混合氣體的密度下降，在相同的流通面積下，直接導(dǎo)致泵入干氣密封內(nèi)的工質(zhì)流量下降，且密度的影響占主導(dǎo)作用，密度和黏度的共同作用導(dǎo)致天然氣摻氫后泄漏量降低。

3.2.2 開啟臨界轉(zhuǎn)速隨進(jìn)口壓力的變化

開啟臨界轉(zhuǎn)速隨進(jìn)口壓力的變化如圖17所示。在4種摻氫比工況下，開啟臨界轉(zhuǎn)速隨進(jìn)口壓力的增加逐漸減小。這是因為隨進(jìn)口壓力增加，靜壓效應(yīng)較強，靜壓開啟力增幅大于閉合力增幅，所需的動壓開啟力下降，開啟臨界轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降。此外，摻氫條件下的開啟臨界轉(zhuǎn)速高于相同進(jìn)口壓力下純天然氣工況，摻氫后導(dǎo)致開啟臨界轉(zhuǎn)速增加8.51%～16.90%，并且在高壓下?lián)綒浔葘﹂_啟臨界轉(zhuǎn)速的影響更大。這是由于在相同壓力下，摻氫比越高，氣膜壓力越低，開啟力越小，開啟時所需轉(zhuǎn)速越高。可見，摻氫后增大了干氣密封的開啟難度。

3.2.3 閉合力和開啟臨界轉(zhuǎn)速隨平衡比的變化

平衡比B（又稱載荷系數(shù)）定義為密封載荷的有效作用面積與密封端面面積之比，表達(dá)式為

閉合力和開啟臨界轉(zhuǎn)速隨平衡比的變化如圖18所示。可以看出，閉合力隨著平衡比的增加線性增加，是由于在保證內(nèi)外徑不變的前提下，減小平衡半徑會增大密封載荷的有效作用面積，使閉合力相應(yīng)增加。另外，隨著平衡比的增加，開啟臨界轉(zhuǎn)速呈增加趨勢，因為增加平衡比對靜壓開啟力沒有影響，只能通過增加轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增加動壓開啟力以平衡增加的閉合力，而且摻氫比越高，開啟力越小，所需的開啟臨界轉(zhuǎn)速越大。因此，設(shè)計合適的平衡比，有利于減小干氣密封的開啟臨界轉(zhuǎn)速，從而降低開啟難度。

3.2.4 閉合力和開啟臨界轉(zhuǎn)速隨彈簧比壓的變化

圖19給出了閉合力和開啟臨界轉(zhuǎn)速隨彈簧比壓的變化規(guī)律。彈簧比壓直接體現(xiàn)彈簧作用在靜環(huán)上的外載荷大小，在流體壓力和密封尺寸不變時，閉合力隨著彈簧比壓的增加線性增加。由于彈簧比壓不能改變靜壓開啟力，因此增加彈簧比壓時，只能通過增加動壓開啟力以平衡閉合力，而且摻氫比越高，所需的開啟臨界轉(zhuǎn)速越大。因此，設(shè)計合適的彈簧比壓，有助于保證干氣密封順利開啟。

4 結(jié) 論

（1）本文提出的干氣密封性能數(shù)值預(yù)測模型能夠可靠預(yù)測高壓差下干氣密封出口阻塞效應(yīng)。高壓差下考慮阻塞效應(yīng)后，主密封出口的壓力增加，開啟力相應(yīng)增大。

（2）隨著進(jìn)口壓力增加，開啟力和泄漏量增加，阻塞現(xiàn)象更明顯。摻氫比對干氣密封開啟力、泄漏量和氣膜剛度等密封靜態(tài)特性影響較小。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至一定值時，密封端面才能相互脫離；干氣密封開啟臨界轉(zhuǎn)速隨摻氫比的增加而增大（摻氫比增加30%時，開啟臨界轉(zhuǎn)速可增大8.51%～16.90%），因此天然氣摻氫增大了干氣密封的開啟難度；此外，需設(shè)計合適的平衡比和彈簧比壓以保證干氣密封順利開啟。

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（編輯 亢列梅）

收稿日期：2023-08-24。

作者簡介：夏永波（2000—），男，碩士生；李志剛（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（52176042）。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2023-11-23網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/61.1069.T.20231122.1716.002