论文部分内容阅读
【摘 要】采用Fluent软件对不同槽形干气密封密封端面间的流场进行数值模拟，得到了流场的压力分布以及不同转速下干气密封的开启力、泄漏量、刚度和刚漏比。通过对比发现螺旋槽动压效应最好，其气膜开启力最大；双螺旋槽密封效果最好，泄漏量远小于其他槽形；联通螺旋槽刚度和刚漏比最大，抗干扰能里最好。
【关键词】干气密封；数值模拟；Fluent
0引言
随着工业生产要求的提高和人们环保意识的增强，人们对密封的泄漏要求也越来越严格，因此，干气密封（dry gas seal）[1]技术应运而生。干气密封是一种流体动压型非接触式机械密封，具有无磨损、功耗小、结构简单、泄漏小等特点。目前，国外对干气密封的基础研究已经比较成熟，并在工业实际应用中取得了比较大的进展。
干气密封属于机械密封表面开浅槽技术，因此密封端面开槽的槽形一直是干气密封研究的重要方向之一，人们对很多槽形进行了研究，如直线槽[2]、人字形螺旋槽[3]等。螺旋槽是目前干气密封密封端面开槽最常用的槽形，也是目前研究最多的槽形[4-6]，因此本文在螺旋槽的基础上对槽形进行了改进并对其进行模拟和对比分析。
1模型建立
1.1几种槽形的结构
a）尾翼螺旋槽；b）联通螺旋槽；c）双螺旋槽；d）环形螺旋槽
图1不同槽形结构示意图
几种槽形结构示意图如图1所示。尾翼螺旋槽是顺着螺旋槽旋转方向在螺旋槽根部沿圆弧增加开槽；联通螺旋槽是将两个相邻的螺旋槽在槽根部分连接起来；双螺旋槽是将螺旋槽分为螺旋方向相反的两部分；环形螺旋槽是将所有的螺旋槽在槽根部位连接起来。
1.2几何模型
图2不同槽形单流道示意图
分别对四种槽形干气密封密封端面间流体流道采用solidworks建立模型，沿圆周方向取尾翼槽、双螺旋槽、环形螺旋槽的1/12，取联通螺旋槽的1/6作为周期性模型进行模拟，各种槽形流体单流道模型如如2所示。
1.3网格划分及边界条件
本章仍然运用Gambit软件对模型进行网格划分，采取线—面—体的网格划分方案：首先对膜厚方向的线进行点划分，控制膜厚方向网格数量，然后对垂直于膜厚方向的面采用Pave方法进行网格划分，最后采用Cooper方式划分整体模型网格。
将模型进口和出口设置成压力进口和压力出口，两侧单流道模型截取时所产生的面设置为周期边界，流道与动环和静环接触的面设置为壁面。
1.4计算模型
从雷诺数上看，其流动状态应该属于层流，但是由于动环表面开有螺旋槽使得流道中存在着台阶，台阶的存在使得其流动情况又不严格属于层流状态。综合考虑本文决定采用RNG k-ε模型。RNG k-ε模型是由Yakhot和Orzag提出的，该模型可以用于计算低雷诺数下的湍流模型，它考虑到了旋转效应，对强旋流动的计算精度有所提高。
2实例计算验证
本文选用文献[7]中给出的螺旋槽干气密封结构和工作条件进行模拟，并与其实验数据进行对比。文献中所给出的螺旋槽干气密封的几何参数和操作条件如下：内径Ri=58.42mm、槽根半径Rg=69mm、外径R0=77.78mm、螺旋角α=15°、槽堰宽比λ=0.5、槽数N=12、槽深hg=5μm、进出口压力分别为4.5852MPa和0.1013MPa、转速n=28600rmp，膜厚h0分别取2.03、3.05、5.08μm。
模拟结果与文献值对比如下所示：
图3模拟结果与文献数据对比
模拟结果与文献值对比如图3所示，可以看出无论是开启力和气膜刚度大小还是趋势，Fluent得出的模拟值与文献所给的实验值都比较吻合。开启力的最大误差在膜厚3.05μm处，大约在11.5%左右。而刚度的最大误差在膜厚2.03μm处，大约为16.2%。产生误差的原因主要是因为模拟是在理想状态下计算出的结果，忽略了很多在实际情况中对结果产生影响的因素，同时实验值在测量和读取时也都存在着一定的误差。
3模拟结果的分析
3.1开启力和泄漏量的对比
如图4所示，几种槽形的干气密封密封端面间的开启力随转速增加而增加，呈线性变化趋势。其中螺旋槽干气密封的开启力在不同转速下都比其他槽形要大，且增长趋势较强，表明转速对螺旋槽干气密封开启力的影响比较大。而双螺旋槽干气密封开启力相比远小于其他槽形，相比螺旋槽干气密封减小了3.5%～10.0%。
图4不同槽形开启力的对比 图5不同槽形泄漏量的对比
图5为不同槽形干气密封的泄漏量随转速变化的趋势图，从图中可以看出泄漏量随转速变化呈现线性变化趋势。其中环形螺旋槽干气密封泄漏量最大，螺旋槽干气密封泄漏量处于中间水平。而双螺旋槽干气密封泄漏最小，比螺旋槽干气密封减少了7.6%～19.4%，且随转速变化的增长趋势不明显。这是因为双螺旋槽内侧螺旋槽起反向增压作用，平衡了一部分压力降，使得泄漏量明显小于其他槽形干气密封。
3.2刚度和刚漏比的对比
图6不同槽形气膜刚度的对比 图7不同槽形刚漏比的对比
图6是不同槽形干气密封的气膜刚度随转速增加的变化趋势，从图中可以看出，不同槽形的气膜刚度随转速的增加近似呈线性分布，随转速增加而增大。其中联通螺旋槽气膜刚度最大，比螺旋槽干气密封高6.7%～13.6%，而雙螺旋槽干气密封的气膜刚度最小。
图7是不同槽形干气密封的刚漏比随转速增加的变化趋势，从图中可以看出不同槽形的刚漏比随转速的变化趋势基本与刚度的变化趋势相同，都是随着转速的增加而增大，近似呈线性分布。其中联通螺旋槽干气密封的刚漏比相比最大，比螺旋槽干气密封高4.6%～10.0%，双螺旋槽干气密封的刚漏比最小。 4結论
本文建立了几种不同的槽形结构，利用Fluent软件对其进行了模拟分析，并对其开启力、泄漏量、刚度、刚漏比等进行了对比，主要得出以下结论：
（1）几种槽形的开启力、泄漏量、刚度和刚漏比均随转速增加而增加，呈线性变化。
（2）螺旋槽干气密封流体动压效应最好，开启力大于其他几种槽形，气膜承载力较强。
（3）双螺旋槽干气密封泄漏量最小，比螺旋槽干气密封减少了7.6%～19.4%，适用于对泄漏量要求比较严格的场合；但其开启力、刚度、刚漏比均远小于其他几种槽形，气膜承载力及抗外界干扰能力较弱。
（4）联通螺旋槽刚度和刚漏比最大，开启力和泄漏量也相对较大，比较适用于对泄漏量要求不高、易受外界干扰的场合。
参考文献：
[1]Fischbach M J. Dry Seal Applications in Centrifugal Compressors[J]. Hydrocarbon Processing， 1989，68（10）：47-51.
[2]胡丹梅， 吴宗祥. 直线槽端面气体密封分析计算[J]. 流体机械， 1996（09）：16-22.
[3]王美华， 董勋. 人字形螺旋槽机械密封热变形及力变形[J]. 流体工程， 1992（05）：34-38.
[4]刘斌， 蔡纪宁， 张秋翔， 等. 螺旋槽端面干气密封的参数研究[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）， 2002（05）：56-60.
[5]李双喜， 蔡纪宁， 陈罕， 等. 高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分析[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）， 2003（01）：52-56.
[6]胡丹梅， 郝木明， 吴德利. 螺旋槽上游泵送机械密封有限元数值计算[J]. 石油大学学报（自然科学版）， 2002（06）：74-77.
[7] Zuk J， Penkel H E. Numerical Solutions for the Flow an Pressure Fields in an idealized Spiral Grooved Pumping Seal： Pro of Fourth International Conference on Fluid Sealing， 1970[C].
【关键词】干气密封；数值模拟；Fluent
0引言
随着工业生产要求的提高和人们环保意识的增强，人们对密封的泄漏要求也越来越严格，因此，干气密封（dry gas seal）[1]技术应运而生。干气密封是一种流体动压型非接触式机械密封，具有无磨损、功耗小、结构简单、泄漏小等特点。目前，国外对干气密封的基础研究已经比较成熟，并在工业实际应用中取得了比较大的进展。
干气密封属于机械密封表面开浅槽技术，因此密封端面开槽的槽形一直是干气密封研究的重要方向之一，人们对很多槽形进行了研究，如直线槽[2]、人字形螺旋槽[3]等。螺旋槽是目前干气密封密封端面开槽最常用的槽形，也是目前研究最多的槽形[4-6]，因此本文在螺旋槽的基础上对槽形进行了改进并对其进行模拟和对比分析。
1模型建立
1.1几种槽形的结构
a）尾翼螺旋槽；b）联通螺旋槽；c）双螺旋槽；d）环形螺旋槽
图1不同槽形结构示意图
几种槽形结构示意图如图1所示。尾翼螺旋槽是顺着螺旋槽旋转方向在螺旋槽根部沿圆弧增加开槽；联通螺旋槽是将两个相邻的螺旋槽在槽根部分连接起来；双螺旋槽是将螺旋槽分为螺旋方向相反的两部分；环形螺旋槽是将所有的螺旋槽在槽根部位连接起来。
1.2几何模型
图2不同槽形单流道示意图
分别对四种槽形干气密封密封端面间流体流道采用solidworks建立模型，沿圆周方向取尾翼槽、双螺旋槽、环形螺旋槽的1/12，取联通螺旋槽的1/6作为周期性模型进行模拟，各种槽形流体单流道模型如如2所示。
1.3网格划分及边界条件
本章仍然运用Gambit软件对模型进行网格划分，采取线—面—体的网格划分方案：首先对膜厚方向的线进行点划分，控制膜厚方向网格数量，然后对垂直于膜厚方向的面采用Pave方法进行网格划分，最后采用Cooper方式划分整体模型网格。
将模型进口和出口设置成压力进口和压力出口，两侧单流道模型截取时所产生的面设置为周期边界，流道与动环和静环接触的面设置为壁面。
1.4计算模型
从雷诺数上看，其流动状态应该属于层流，但是由于动环表面开有螺旋槽使得流道中存在着台阶，台阶的存在使得其流动情况又不严格属于层流状态。综合考虑本文决定采用RNG k-ε模型。RNG k-ε模型是由Yakhot和Orzag提出的，该模型可以用于计算低雷诺数下的湍流模型，它考虑到了旋转效应，对强旋流动的计算精度有所提高。
2实例计算验证
本文选用文献[7]中给出的螺旋槽干气密封结构和工作条件进行模拟，并与其实验数据进行对比。文献中所给出的螺旋槽干气密封的几何参数和操作条件如下：内径Ri=58.42mm、槽根半径Rg=69mm、外径R0=77.78mm、螺旋角α=15°、槽堰宽比λ=0.5、槽数N=12、槽深hg=5μm、进出口压力分别为4.5852MPa和0.1013MPa、转速n=28600rmp，膜厚h0分别取2.03、3.05、5.08μm。
模拟结果与文献值对比如下所示：
图3模拟结果与文献数据对比
模拟结果与文献值对比如图3所示，可以看出无论是开启力和气膜刚度大小还是趋势，Fluent得出的模拟值与文献所给的实验值都比较吻合。开启力的最大误差在膜厚3.05μm处，大约在11.5%左右。而刚度的最大误差在膜厚2.03μm处，大约为16.2%。产生误差的原因主要是因为模拟是在理想状态下计算出的结果，忽略了很多在实际情况中对结果产生影响的因素，同时实验值在测量和读取时也都存在着一定的误差。
3模拟结果的分析
3.1开启力和泄漏量的对比
如图4所示，几种槽形的干气密封密封端面间的开启力随转速增加而增加，呈线性变化趋势。其中螺旋槽干气密封的开启力在不同转速下都比其他槽形要大，且增长趋势较强，表明转速对螺旋槽干气密封开启力的影响比较大。而双螺旋槽干气密封开启力相比远小于其他槽形，相比螺旋槽干气密封减小了3.5%～10.0%。
图4不同槽形开启力的对比 图5不同槽形泄漏量的对比
图5为不同槽形干气密封的泄漏量随转速变化的趋势图，从图中可以看出泄漏量随转速变化呈现线性变化趋势。其中环形螺旋槽干气密封泄漏量最大，螺旋槽干气密封泄漏量处于中间水平。而双螺旋槽干气密封泄漏最小，比螺旋槽干气密封减少了7.6%～19.4%，且随转速变化的增长趋势不明显。这是因为双螺旋槽内侧螺旋槽起反向增压作用，平衡了一部分压力降，使得泄漏量明显小于其他槽形干气密封。
3.2刚度和刚漏比的对比
图6不同槽形气膜刚度的对比 图7不同槽形刚漏比的对比
图6是不同槽形干气密封的气膜刚度随转速增加的变化趋势，从图中可以看出，不同槽形的气膜刚度随转速的增加近似呈线性分布，随转速增加而增大。其中联通螺旋槽气膜刚度最大，比螺旋槽干气密封高6.7%～13.6%，而雙螺旋槽干气密封的气膜刚度最小。
图7是不同槽形干气密封的刚漏比随转速增加的变化趋势，从图中可以看出不同槽形的刚漏比随转速的变化趋势基本与刚度的变化趋势相同，都是随着转速的增加而增大，近似呈线性分布。其中联通螺旋槽干气密封的刚漏比相比最大，比螺旋槽干气密封高4.6%～10.0%，双螺旋槽干气密封的刚漏比最小。 4結论
本文建立了几种不同的槽形结构，利用Fluent软件对其进行了模拟分析，并对其开启力、泄漏量、刚度、刚漏比等进行了对比，主要得出以下结论：
（1）几种槽形的开启力、泄漏量、刚度和刚漏比均随转速增加而增加，呈线性变化。
（2）螺旋槽干气密封流体动压效应最好，开启力大于其他几种槽形，气膜承载力较强。
（3）双螺旋槽干气密封泄漏量最小，比螺旋槽干气密封减少了7.6%～19.4%，适用于对泄漏量要求比较严格的场合；但其开启力、刚度、刚漏比均远小于其他几种槽形，气膜承载力及抗外界干扰能力较弱。
（4）联通螺旋槽刚度和刚漏比最大，开启力和泄漏量也相对较大，比较适用于对泄漏量要求不高、易受外界干扰的场合。
参考文献：
[1]Fischbach M J. Dry Seal Applications in Centrifugal Compressors[J]. Hydrocarbon Processing， 1989，68（10）：47-51.
[2]胡丹梅， 吴宗祥. 直线槽端面气体密封分析计算[J]. 流体机械， 1996（09）：16-22.
[3]王美华， 董勋. 人字形螺旋槽机械密封热变形及力变形[J]. 流体工程， 1992（05）：34-38.
[4]刘斌， 蔡纪宁， 张秋翔， 等. 螺旋槽端面干气密封的参数研究[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）， 2002（05）：56-60.
[5]李双喜， 蔡纪宁， 陈罕， 等. 高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分析[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）， 2003（01）：52-56.
[6]胡丹梅， 郝木明， 吴德利. 螺旋槽上游泵送机械密封有限元数值计算[J]. 石油大学学报（自然科学版）， 2002（06）：74-77.
[7] Zuk J， Penkel H E. Numerical Solutions for the Flow an Pressure Fields in an idealized Spiral Grooved Pumping Seal： Pro of Fourth International Conference on Fluid Sealing， 1970[C].