螺旋槽干氣密封端面流場(chǎng)分析

陳洋洋，朱維兵，楊 陽(yáng)

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610039)

螺旋槽干氣密封端面流場(chǎng)分析

陳洋洋，朱維兵，楊 陽(yáng)

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610039)

采用SolidWorks軟件建立螺旋槽干氣密封氣膜的三維模型，用ANSYS Workbench對(duì)模型進(jìn)行分析，得到氣膜的壓力分布情況。結(jié)果表明，氣膜的壓力分布主要集中在螺旋槽區(qū)域，在螺旋槽根部出現(xiàn)壓力的最大值，體現(xiàn)出螺旋槽干氣密封很好的動(dòng)壓效應(yīng)，有效克服了接觸式機(jī)械密封磨損嚴(yán)重的缺陷。該研究為更好研究螺旋槽干氣密封的性能提供有益的參考。

螺旋槽干氣密封 ANSYS Workbench 壓力分布 動(dòng)壓效應(yīng)

0 引言

機(jī)械密封(又稱端面密封)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備防止泄漏、節(jié)約能源、控制環(huán)境污染的重要功能基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械和動(dòng)力機(jī)械中。密封技術(shù)雖然不是領(lǐng)先性技術(shù)，但卻是決定性技術(shù)[1]。密封件雖然不大，但它決定著機(jī)器設(shè)備的安全性、可靠性和耐久性。通過(guò)對(duì)幾個(gè)石化企業(yè)的調(diào)查[2]，都說(shuō)明了機(jī)械密封在日常機(jī)泵等設(shè)備維修工作中，工作量約占50%。國(guó)外愛(ài)克西翁公司的威爾曾說(shuō)到，離心泵的維修費(fèi)大約有70%是由于密封故障[3]。

從密封的發(fā)展和技術(shù)水平來(lái)看，石油、化工和氣體工業(yè)用離心壓縮機(jī)的軸端密封先后經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：迷宮密封、浮環(huán)密封、機(jī)械(接觸型)密封、非接觸型機(jī)械密封[4]。干氣密封作為近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種新型非接觸型密封技術(shù)，在石油、化工行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，相比于其他溝槽，螺旋槽干氣密封工作時(shí)流體動(dòng)壓效應(yīng)更明顯，密封效果更好。螺旋槽干氣機(jī)械密封[5]具有使用壽命長(zhǎng)、密封性能好、成本低，同時(shí)也可以有效的控制泄漏量等特點(diǎn)，已成為熱油泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜等設(shè)備中最常用密封方式之一[6]。

本文利用三維畫圖軟件，對(duì)螺旋槽干氣密封的氣膜進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench對(duì)其端面流場(chǎng)進(jìn)行研究。

1 端面流體流態(tài)的判斷

對(duì)端面液膜模擬計(jì)算之前，首先要確定端面流體的流態(tài)情況。通過(guò)分析可知，流體膜流動(dòng)情況由兩種流動(dòng)疊加：壓差流和剪切流，所以剪切流動(dòng)雷諾數(shù)Rec和徑向流動(dòng)雷諾數(shù)Rep共同決定液膜流態(tài)。利用Brunetire提出的流動(dòng)因子α來(lái)判定流態(tài)[7]：

(1)

(2)

(3)

其中，

Rec：剪切流動(dòng)雷諾數(shù)；

Rep：徑向流動(dòng)雷諾數(shù)；

U：端面剪切線速度，m /s;

Vr：徑向流動(dòng)速度，m /s;

h0：動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間液膜厚度，m。

當(dāng)α < 9/16時(shí)，液膜處于層流狀態(tài)；當(dāng)α > 9/16時(shí)，液膜處于湍流狀態(tài)[8]。通過(guò)計(jì)算，將轉(zhuǎn)速增加至6000rpm時(shí)，α也遠(yuǎn)小于9/16，所以判定該模型為層流。

2 控制方程

計(jì)算螺旋槽上游泵送機(jī)械密封的端面液膜壓力分布，其基本方程為雷諾方程，該方程是粘性流體流動(dòng)的主要的控制方程N(yùn)-S方程的特殊簡(jiǎn)化形式，本文用其求解粘性流體在動(dòng)靜環(huán)間隙形成的流體潤(rùn)滑膜的流動(dòng)問(wèn)題。

根據(jù)流體力學(xué)的基本原理和動(dòng)靜環(huán)面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將上游泵送機(jī)械密封中流體部分流場(chǎng)模型作以下的假設(shè)：

(1)動(dòng)、靜環(huán)間隙內(nèi)為連續(xù)介質(zhì)模型，流體膜之中無(wú)紊流、漩渦。

(2)因間隙僅微米級(jí)，所以假設(shè)壓力沿膜厚方向不變。

(3)密封端面流體其他力如慣性力、體積力忽略不計(jì)。

(4)介質(zhì)間隙遠(yuǎn)小于端面固體表面的曲率半徑。

(5)密封端面間隙穩(wěn)定，介質(zhì)粘度與溫度保持不變。

(6) 介質(zhì)與相鄰的固體邊界無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

流體應(yīng)遵循物理守恒定律，對(duì)于一般的守恒定律可以通過(guò)如下的控制方程進(jìn)行描述。

質(zhì)量守恒：

動(dòng)量守恒方程：

其中，ρf—流體密度；ff—體積力矢量；

t—時(shí)間；ν —流體速度矢量；

τf—剪切力張量。

而剪切力張量τf的表達(dá)式為：

τf=(-p+μ▽·υ)I+2μe

其中，p—流體壓力；μ—?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

e—速度應(yīng)力張量；

而速度應(yīng)力張量e的表達(dá)式為：

2 模型設(shè)置

2.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

因?yàn)槲覀兪茄芯康穆菪鄹蓺饷芊舛嗣媪鲌?chǎng)，所以我們研究對(duì)象的區(qū)域?yàn)槊芊鈩?dòng)環(huán)、靜環(huán)端面間的間隙及螺旋槽動(dòng)壓槽部分。流場(chǎng)模型的三維模型如圖1所示，由于氣膜厚度方向?yàn)槲⒚准?jí)，故為了便于觀察厚度方向放大1000倍。由于徑向方向尺寸和厚度方向尺寸相差較大，故網(wǎng)格的劃分要求計(jì)算機(jī)有較高的計(jì)算能力，圖2為劃分好的網(wǎng)格。

圖1 計(jì)算區(qū)域(厚度方向放大1000倍)

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件設(shè)置

與動(dòng)環(huán)端面接觸的面設(shè)置為動(dòng)壁面；與靜環(huán)端面接觸的面設(shè)置為靜壁面；外徑側(cè)液膜與密封介質(zhì)相接觸，設(shè)為壓力入口；內(nèi)徑側(cè)液膜為低壓側(cè)，設(shè)置為壓力出口，即：

p=pi,r=ri

p=po,r=ro

本文入口取圖1中的壓力入口inlet,出口取圖1中的壓力出口outlet,動(dòng)、靜環(huán)表面為壁面邊界條件。

假定液膜為連續(xù)性介質(zhì)，控制方程是質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，通過(guò)對(duì)端面間隙流體的流態(tài)進(jìn)行計(jì)算，最終判斷為層流，因此選擇層流的穩(wěn)態(tài)流體模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

螺旋槽幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：膜厚h0：5μm；靜環(huán)外徑ro：52.20mm；靜環(huán)內(nèi)徑ri：39.40mm；螺旋槽半徑rg：44.30mm；螺旋槽深度hg：5μm；螺旋角:α=17.50°；槽徑比β：0.72；槽寬與堰寬之比γ：1.0；螺旋槽槽數(shù)N：12。螺旋槽端面結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 螺旋槽端面結(jié)構(gòu)圖

3.2 結(jié)果及分析

圖4為進(jìn)口壓力分別為3 MPa，出口壓力為0.1013MPa；氣膜厚度為5μm時(shí)的壓力分布。

圖4 氣膜厚度分別為5μm時(shí)的壓力分布

由于該模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故為了便于觀察，取模型的1/12為觀察對(duì)象。進(jìn)口壓力分別為2 MPa、3MPa、4MPa，出口壓力為0.1013MPa，氣膜厚度為5μm時(shí)的壓力分布如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 進(jìn)口壓力分別為2 MPa時(shí)的壓力分布

圖6 進(jìn)口壓力分別為3 MPa時(shí)的壓力分布

圖7 進(jìn)口壓力分別為4 MPa時(shí)的壓力分布

進(jìn)口壓力為3 MPa，出口壓力為0.1013MPa；氣膜厚度分別為3μm、4μm、5μm時(shí)的壓力分布如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 氣膜厚度分別為3μm時(shí)的壓力分布

圖10 氣膜厚度分別為5μm時(shí)的壓力分布

由以上分析可以看出，氣體由于隨著軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入密封槽，受到密封堰的阻擋，在槽的根部逐漸被壓縮，雖然進(jìn)口處的壓力最高，但在內(nèi)徑方向，壓力是逐漸升高的，在槽根處達(dá)到氣膜壓力最高值。氣膜周向壓力變化不大，但由于密封環(huán)的高速旋轉(zhuǎn)，堰區(qū)局部出現(xiàn)負(fù)壓。

在一定范圍內(nèi)，隨著進(jìn)口壓力的增加，螺旋槽進(jìn)口處和槽根處的壓力也隨著增加，動(dòng)壓效應(yīng)也就越明顯。在相同壓力下，隨著氣膜厚度的增加，氣膜的壓力也隨著減小，動(dòng)壓效應(yīng)也就越不明顯；相反，隨著氣膜厚度的減小，氣膜的壓力也隨著增加，動(dòng)壓效應(yīng)也就越明顯。

4 結(jié)論

(1)使用ANSYS Workbench軟件分析螺旋槽干氣密封時(shí)，由于氣膜厚度很薄，故要得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格，必須采用性能較好的計(jì)算機(jī)計(jì)算。

(2)通過(guò)對(duì)螺旋槽端面流場(chǎng)進(jìn)行分析，證明了螺旋槽具有很好的動(dòng)壓效應(yīng)，并且能有效的阻止泄漏。

[1] 顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009：1-2.

[2] 顧永泉. 石油化工用離心泵的故障分析[J].水泵技術(shù),1977(2):19-40.

[3] Will P A. Effect of Seal Face Width on Mechanical Seal Performance-Hydrocarbon Tests [J].Lubrication Engineering,1984,40(9):522-527.

[4] 劉曦澤. 淺談干氣密封的發(fā)展[J]. 山東化工，2015(1):76-77.

[5] 何永明,穆塔里夫·阿赫邁德,孫書斗. 工況參數(shù)對(duì)螺旋槽機(jī)械密封性能的影響[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(9):116-119,122.

[6] 杜建媛,殷國(guó)富,劉蘊(yùn). 螺旋槽干氣密封動(dòng)環(huán)模態(tài)分析及其模態(tài)特性試驗(yàn)[J]. 液壓氣動(dòng)與密封,2015(10)：20-23.

2017-03-09

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(15ZA0126)，西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2016029)。

陳洋洋(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：機(jī)械密封技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)。

TH117.2

A

1008-5580(2017)03-0218-04