三種氣體對(duì)干氣密封性能影響

姚文博，石成江

三種氣體對(duì)干氣密封性能影響

姚文博，石成江

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

基于CFD數(shù)值模擬的方法，對(duì)比研究了三種不同密封氣的流場(chǎng)特征和對(duì)主要密封指標(biāo)參數(shù)的影響。結(jié)果表明，密封端面間氣膜在徑向存在較大的壓力梯度，壓力從內(nèi)徑向外徑的變化逐漸上升，大約在槽根部達(dá)到最大值，之后從槽根處逐漸減小到外徑。從氣膜剛度、泄漏量及剛漏比三個(gè)方面討論了不同密封氣體對(duì)單端面密封結(jié)構(gòu)密封性能指標(biāo)參數(shù)的影響，不同介質(zhì)氣體對(duì)動(dòng)環(huán)密封端面氣膜剛度和泄漏量影響明顯。

干氣密封；氣膜剛度；泄漏量；CFD

本文以動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣膜作為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值模擬的方法，對(duì)比研究了三種主流干氣密封氣的流場(chǎng)特征和關(guān)鍵性能，進(jìn)行了壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分析，為密封氣的選擇提供建議[1]。

1 干氣密封的定義

1.1 結(jié)構(gòu)及原理

干氣密封在機(jī)械密封的基礎(chǔ)上，在動(dòng)環(huán)表面加工出螺旋狀溝槽，從而實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)行的。在正常工況下，由于泵吸效應(yīng)，密封氣體沿著槽吸入動(dòng)環(huán)端面，在動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間形成一層厚度僅有幾微米的氣膜，使得兩個(gè)端面非接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

本文以穩(wěn)定工況條件下的氣膜作為分析對(duì)象，采用Fluent數(shù)值模擬的方法，對(duì)比研究了不同氣體對(duì)干氣密封的剛度和泄漏量的影響，為壓縮機(jī)的軸端密封氣體選擇提供參考。

如圖l所示。干氣密封裝置由靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、腔體、彈簧等組成[2]。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

干氣密封在未啟動(dòng)狀態(tài)，在彈簧力作用下，兩端面保持貼緊。壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)環(huán)在軸套的固定下，隨著軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并吸入密封氣，形成極薄的一層氣膜，密封端面間的氣膜有效地控制泄漏到最低的水平[4]。原理圖如圖2所示。

圖2 干氣密封原理

2 模型建立及計(jì)算方法

2.1 模型建立

流體力學(xué)計(jì)算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程與湍流控制方程[5]。第一步是幾何模型的建立，然后設(shè)置工況和邊界條件進(jìn)行求解[6]。

干氣密封幾何參數(shù)：動(dòng)環(huán)外徑=87 mm；動(dòng)環(huán)內(nèi)徑=61 mm；螺旋槽半徑=76 mm；槽深度=3 μm；螺旋角α=15°；螺旋槽的數(shù)量N=12。

動(dòng)環(huán)槽型螺旋槽，符合螺旋線對(duì)數(shù)方程[7]，為

=re·cot（1）

—螺旋角余角。

基于ANSYS軟件的geometry（Design modeler）模塊，繪制幾何模型，以氣體流過的密封兩端面間的氣膜作為計(jì)算對(duì)象，因?yàn)橹芷趯?duì)稱性故只須取氣膜的一部分作為模擬對(duì)象，劃分12個(gè)槽，進(jìn)行計(jì)算其中一個(gè)槽區(qū)域[8]，如圖3所示。

圖3 氣膜形狀（縱坐標(biāo)放大1 000倍）

2.2 網(wǎng)格的劃分

本文使用ICEM軟件對(duì)氣膜進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示，為解決跨尺度建模問題，將計(jì)算區(qū)域厚度方向放大了1 000倍。網(wǎng)格總數(shù)約為72 000。

2.3 計(jì)算工況及邊界條件

在數(shù)值模擬過程中，選擇氮?dú)狻錃饧岸趸既N密封氣體，并將氣體近似地視為理想氣體[10]?？趬毫?.5兆帕，出口壓力0.04兆帕，轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

表1 三種氣體物理參數(shù)

采用FLUENT軟件對(duì)本文的模型進(jìn)行求解，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)Laminar（層流）模型，求解器選擇SIMPLEC（SIMPLE-Consist）。壓力、密度、動(dòng)量、選擇二階迎風(fēng)格式[12]。

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

3.1.1 壓力分布和速度分布

圖4、5、6分別為三種氣體的氣膜壓力圖，圖7、8、9分別為三種氣體的氣膜速度分布圖。以氮?dú)鈮毫Ψ植紙D5為例，在動(dòng)環(huán)壩區(qū)沒有壓力變化，原因?yàn)閴螀^(qū)無螺旋槽。從壓力云圖中看出氣膜的壓力呈階梯狀分布，從內(nèi)向外徑壓力逐漸升高，最大壓力在槽的根部，之后隨半徑的增大而逐步降低。以圖7氮?dú)馑俣确植紙D為例，入口處速度最大，螺旋槽根部速度約為入口處40％而槽外速度分布均勻。

圖4 氮?dú)鈿饽毫Ψ植?/p>

圖5 二氧化碳?xì)饽毫Ψ植紙D

圖6 氫氣氣膜壓力分布

圖7 氮?dú)馑俣确植?/p>

圖8 二氧化碳速度分布

圖9 氫氣速度分布

3.1.2 不同氣體壓力沿徑向分布圖

圖10、11、12分別為三種氣體的氣膜動(dòng)壓沿徑向分布圖。氣體壓力沿徑向分布，先從動(dòng)環(huán)內(nèi)徑處開始逐漸上升，在槽根約70 mm處達(dá)到最大值，之后到外徑，壓力逐漸變小。圖14為三種氣體動(dòng)壓沿徑向分布對(duì)比圖。

圖10 氮?dú)鈩?dòng)壓沿徑向分布

圖11 二氧化碳動(dòng)壓沿徑向分布

圖12 氫氣動(dòng)壓沿徑向分布

圖13 三種氣體動(dòng)壓沿徑向分布對(duì)比

3.2 氣膜推力、剛度與泄漏量的計(jì)算

通過氣膜的推力計(jì)算公式（2）分別求得氮?dú)狻⒍趸寂c氫氣的推力

動(dòng)靜環(huán)之間的間隙與剛度的關(guān)系為：

式中：K—?dú)饽偠?，N/m；

螺旋槽干氣密封泄漏量Q是指在一個(gè)小時(shí)內(nèi)通過主密封與輔助密封泄漏的流體總體積[15]：

密封的體積泄漏量

表2 三種氣體物理參數(shù)

3.3 綜合分析

對(duì)反映影響干氣密封效果的多種參數(shù)進(jìn)行綜合分析，以氣膜剛度、泄漏量、剛漏比的對(duì)比分析，作為判定標(biāo)準(zhǔn)，繪制散點(diǎn)圖，如圖14所示。

氣膜剛度的大小反映著干氣密封在機(jī)械擾動(dòng)情況下保持運(yùn)行穩(wěn)定的特性，剛度越大，密封間隙變化越小，密封的穩(wěn)定性越號(hào)。氣膜剛度影響著密封工作的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)干氣密封時(shí)需要優(yōu)先考慮。三種氣體中二氧化碳作為密封氣，氣膜剛度最大。

干氣密封的泄漏量是形成密封氣膜的跑損量，由于密封是非接觸式的，因而泄漏是不可避免的。這一參數(shù)反映密封端面的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，泄漏量越小且維持在一固定值，運(yùn)行狀態(tài)越穩(wěn)定，三種氣體中氮?dú)庾鳛槊芊鈿庑孤┝孔钚?。剛漏比是氣膜剛度與體積泄漏量的比值，反應(yīng)密封的綜合性能，其值越大性能越好，三種氣體中氫氣作為密封氣的剛漏比最大。

從圖14可知，氫氣氣膜剛度最小，體積泄漏量低于二氧化碳但高于氮?dú)?，而綜合考慮這兩項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，剛漏比最大，因此氫氣作為密封氣綜合性能最好。二氧化碳?xì)饽んw積泄漏量最大，但是剛度同樣最大，剛漏比最低，當(dāng)對(duì)密封氣膜剛度有嚴(yán)格限制時(shí)，而對(duì)泄漏量要求適當(dāng)放寬時(shí)作為密封氣是適宜的。氮?dú)鈿饽さ膭偠嚷缘陀诙趸細(xì)饽?，但遠(yuǎn)高于氫氣氣膜剛度，當(dāng)對(duì)密封氣泄漏量有限制時(shí)，是一種較為理想的密封氣。

圖14 三種氣體的密封性能指標(biāo)參數(shù)

4 結(jié)束語

文中對(duì)一種規(guī)格參數(shù)的干氣密封裝置在三種密封氣工況條件下進(jìn)行了模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到的結(jié)論如下：

（1）使用建模軟件繪制了氣膜其中一個(gè)槽區(qū)域，使用Fluent模擬，得到氣膜的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，得到直觀的動(dòng)壓云圖和氣體速度云圖。

（2）通過Fluent數(shù)值模擬得到的三種氣體的速度云圖、壓力云圖及徑向壓力分布圖，其結(jié)果表明，壓力從內(nèi)徑向外徑逐漸上升，大約在槽根部達(dá)到最大值。入口處速度最大，其次在槽根部，分布比較均勻。

（3）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，密封氣體的選擇需要考慮到工藝運(yùn)行狀況和生產(chǎn)時(shí)的安全等因素。單端面密封結(jié)構(gòu)又稱單級(jí)密封，是串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)和雙端面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本文從氣膜剛度、泄漏量及剛漏比三個(gè)方面討論了不同密封氣體對(duì)單端面密封結(jié)構(gòu)密封性能指標(biāo)參數(shù)的影響，為不同場(chǎng)合下的密封氣的選擇提供了借鑒與參考。

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Influence of Three Kinds of Gas on Dry Gas Seal Performance

（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Based on the method of CFD numerical simulation, the flow field characteristics of three different seal gases and their influences on the main seal parameters were compared. The results showed that there was a large pressure gradient in the radial direction of the gas film between the seal faces, and the pressure gradually increased from the inner diameter to the outer diameter, reaching the maximum value at the root of the groove, and then gradually decreased from the root of the groove to the outer diameter. The influence of different seal gases on the performance parameters of single face seal structure was analyzed from three aspects of gas film rigidity, leakage amount and rigid leakage ratio. Different medium gases had obvious influence on the gas film rigidity and leakage amount of moving ring seal face.

dry gas seal; gas film rigidity; leakage; CFD

遼寧南芬鑄件產(chǎn)業(yè)園化工板塊簡(jiǎn)介

一、基本情況

2018年1月，遼寧省人民政府批準(zhǔn)成立了本溪南芬經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，為省級(jí)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。本溪南芬經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)以遼寧南芬鑄件產(chǎn)業(yè)園為核心區(qū)和起步區(qū)，整合南芬區(qū)下馬塘街道辦事處區(qū)域和南芬區(qū)新材料產(chǎn)業(yè)園而形成。本溪南芬經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)規(guī)劃總面積29.87平方公里，其中，鑄件產(chǎn)業(yè)園鑄造板塊規(guī)劃面積7.97平方公里、化工板塊規(guī)劃面積1.19平方公里；新材料產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃面積2平方公里，下馬塘街道辦事處規(guī)劃面積18.71平方公里。

遼寧南芬鑄件產(chǎn)業(yè)園作為經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的核心區(qū)域，于2010年5月經(jīng)本溪市人民政府批準(zhǔn)成立的市級(jí)工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，行使市級(jí)經(jīng)濟(jì)管理權(quán)限和相關(guān)社會(huì)管理權(quán)限；2012年園區(qū)被納入全省100個(gè)工業(yè)產(chǎn)業(yè)集群考核；2014年成為南芬區(qū)國(guó)家獨(dú)立工礦區(qū)改造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移承接地。2018年1月，獲省政府批準(zhǔn)晉升為省級(jí)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，定名為本溪南芬經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

二、核心區(qū)域規(guī)劃和環(huán)評(píng)審批手續(xù)情況

遼寧南芬鑄件產(chǎn)業(yè)園產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃于2010年10月獲得本溪市人民政府批準(zhǔn)實(shí)施；園區(qū)土地總體利用規(guī)劃于2011年獲得遼寧省人民政府批準(zhǔn)實(shí)施；園區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃于2012年8月獲得南芬區(qū)人民政府批準(zhǔn)實(shí)施；園區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃環(huán)評(píng)于2014年5月獲得本溪市環(huán)保局批準(zhǔn)實(shí)施；2017年12月，園區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃（2017年修編）獲得南芬區(qū)人民政府批準(zhǔn)實(shí)施；2018年4月，園區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃（2017年修編）環(huán)評(píng)獲本溪市環(huán)保局批準(zhǔn)實(shí)施。

三、核心區(qū)域化工板塊情況

2018年，南芬區(qū)立足區(qū)域產(chǎn)業(yè)和資源，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，通過實(shí)施項(xiàng)目拉動(dòng)戰(zhàn)略和推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，在本溪南芬經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)起步區(qū)內(nèi)（遼寧南芬鑄件產(chǎn)業(yè)園）規(guī)劃1.19平方公里土地，建設(shè)了化工板塊。以精細(xì)化工作為園區(qū)化工板塊主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展醫(yī)藥化工，鼓勵(lì)發(fā)展塑料助劑、鑄造助劑等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，形成具有特色的現(xiàn)代新型精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)基地。

通過核心區(qū)域化工板塊的設(shè)立，本溪圣華化工搬遷改造項(xiàng)目、年產(chǎn)20萬噸硅酸鈉生產(chǎn)線項(xiàng)目，擬入駐本溪南芬經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

TB42

A

1004-0935（2020）04-0433-05

2020-01-06

姚文博（1994-），男，遼寧省撫順市人，2017畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：干氣密封。

石成江（1962-），男，博士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)與控制。