螺旋槽槽形結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣液兩相端面動壓密封性能影響*

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)

國內(nèi)對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)分別對高速流體動壓密封性能的影響，進(jìn)行兩種相態(tài)的密封性能對比分析與試驗(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)對動壓密封氣相和液相的泄漏量、開啟力等性能的影響；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)和動靜環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了潤滑氣膜計(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，最后通過牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算得到潤滑氣膜摩擦系數(shù)；陳洋洋等[4]用ANSYS Workbench對螺旋槽干氣密封模型進(jìn)行單向流固耦合分析，得到動環(huán)密封端面的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，并研究動環(huán)轉(zhuǎn)速和介質(zhì)氣體壓力對動環(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在必行。

本文通過Fluent對氣液兩相端面動壓密封性能進(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)對密封性能的影響。

1 油氣兩相動密封工作原理

動壓密封采用動環(huán)端面外側(cè)開槽的密封結(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)，密封端面開啟，形成動壓密封。

1.密封環(huán);2.計(jì)算模型(厚度放大1000倍)。

油氣兩相動壓密封的密封介質(zhì)是氣液混合物。螺旋槽開在動環(huán)外側(cè)，螺旋線為對數(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 動壓密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 動壓密封操作參數(shù)

表3 動壓密封介質(zhì)參數(shù)

2 油氣兩相動壓密封計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型

研究對象為動靜環(huán)端面間的流體域，研究氣液兩相流動情況。由于端面動壓槽呈周期性分布，利用周期性邊界條件，取一個(gè)動壓槽進(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。針對動壓密封端面流體膜的實(shí)際特點(diǎn)，對密封流體膜做如下假設(shè):

①密封端面間流體的流動為層流；②流體流動過程中溫度、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，得到最大的開啟力和最小的泄漏量是對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、開啟力、氣膜剛度這三個(gè)參數(shù)對密封性能進(jìn)行評價(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按照圖2所示設(shè)置壓力入口、壓力出口，并設(shè)置液氣比；⑥按照圖2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 槽深對動壓密封性能的影響

由圖3(a)泄漏量隨槽深的變化看出，動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，開啟力、流體膜剛度都隨著槽深的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)開啟力 (c)流體膜剛度

3.2 氣膜厚度對動壓密封性能的影響

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)開啟力 (c)流體膜剛度

3.3 槽數(shù)對動壓密封性能的影響

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)開啟力 (c)流體膜剛度

4 結(jié)論

1)動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，開啟力、流體膜剛度都隨著槽深的增大而增大。

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