单位文秘网 2021-08-31 09:02:59 点击: 次
摘要:基于计算流体动力学(CFD)的动压效应理论,建立了螺旋槽干气密封气膜流场控制微分方程并进行建模,确定了计算区域。根据文献给出的实验数据,采用FLUENT对气膜压力场进行求解,得到了密封计算区域动环端面处气膜压力沿半径方向的分布。本文对干气密封的稳态特性、槽型几何参数对密封性能(泄漏量和气膜刚度)的影响进行分析研究,并结合文献实验数据对螺旋槽干气密封端面槽型参数进行优化,以保证最低泄漏量的同时得到最大气膜刚度,从而为进一步的研究奠定基础。
关键词:螺旋槽;干气密封;参数研究;气膜流场;FLUENT
中图分类号:TB42 文献标识码:A 文章编号:1672-9129(2017)04-0052-04
Numerical Analysis and Parameters Research on Spiral Groove Gas Face Seals Fluid Field
SONG Yuanhong1*, LI FengQin2
(1.College of Equipment Manufacturing, Chengdu Institute of Technology, Sichuan Chengdu, 610218, China; 2. Jinan Times Test Machine Co., Ltd., Shandong Jinan, 250300, China)
Abstract:Based on the dynamic pressure effect theory of computational fluid dynamics (CFD),establishing controlling differential equation and modeling , determining the computational region. According to the experimental datas of the literature , solving the gas film pressure field by adopting FLUENT, obtaining the distribution of the film pressure along the radial direction at the end of the moving ring in the sealed calculation region.This paper studies the performances of gas face seals involved in steady-state performance, groove geometry parameters (mainly leakage and stiffness of gas film) effects of seal parameters,and the optimized spiral groove dry gas seal face groove shape to gain the minimum leakage and the maximum stiffness of gas film, and makes ready for the further research later.
Keywords: Spiral Groove; dry gas seals; parameter study; gas film flow field; FLUENT
引用:宋遠红, 李凤芹. 螺旋槽干气密封气膜流场数值分析及参数研究[J]. 数码设计, 2017, 6(4): 52-55.
Cite:SONG Yuanhong, LI FengQin. Numerical Analysis and Parameters Research on Spiral Groove Gas Face Seals Fluid Field[J]. Peak Data Science, 2017, 6(4): 52-55.
引言
干气密封[1]是一种新型密封形式,也称作气体端面密封,它是在机械密封基础上发展得来的。它属非接触式密封形式,重要构件为动、静环,特征是在动环或静环的端面上加工有均匀分布的浅槽。利用该浅槽的流体动压效应,在动、静环间形成一定厚度的气膜,此气膜有一定的刚度,既能保证泄漏量不至超标,又能使两环端面实现非接触运转。干气密封特别适合于高速、高温、高压设备的密封,是目前最先进的一种动密封形式。
干气密封的原理[2]是密封端面做相对转动时,通过浅槽产生流体动压效应,在动静环之间形成很薄的气膜,从而使密封副可工作在非接触状态下。干气密封具有泄漏量少(理论上甚至可达零泄露)、端面磨损小、运行寿命长和可靠性高等优点。从流体动力学角度来讲,在干气密封端面开任何形状的沟槽,都能产生动压效应。槽型主要有圆弧槽、螺旋槽、直线槽和T形槽等,理论研究表明,螺旋槽产生的流体动压效应最强,气膜刚度最大,密封的稳定性最好。工程实践中,螺旋槽干气密封并没发挥出它的最大优势,大多数情况下,是因为没有实现槽形几何参数的最佳组合。本文以螺旋槽干气密封为研究对象,对螺旋槽干气密封端面流场进行分析,研究槽形几何参数对密封性能的影响,实现槽形参数的合理选择,这对螺旋槽干气密封的设计、制造以及安全、可靠、稳定和长周期运行具有较好的实践意义。
1 干气密封原理与微分方程
1.1 密封原理
螺旋槽干气密封的工作原理[3],实际上是利用流体动压力与流体静压力和弹簧元件弹力的合力与闭合力的平衡,在动静环之间形成一定厚度的气膜,从而达到密封的目的。当动环旋转时,气体介质进入螺旋槽并被引向中心,被压缩的介质因密封堰的阻碍,气体压力逐渐增大,该压力是动环旋转产生的称为流体动压。一般在密封动环端面加工有几微米的浅槽,槽深一般在2.5~10μm取值。当密封端面副间有相对运动时,槽的泵送效应和台阶效应会在密封端面副间形成稳定的有一定刚度的气膜,这层气膜保证密封工作在非接触状态,同时使密封泄漏量从理论上可达到零泄露水平。
1.2 微分方程
基于CFD中的动压效应[4]基本理论,以及描述绝大部分流体流动和传热问题的方程,分析推导得出螺旋槽干气密封气膜流场的控制微分方程,它为下面一组笛卡儿坐标系下的方程。
质量守恒方程:
(1)
动量守恒方程:
(2)
(3)
(4)
能量守恒方程:
(5)
式中:
,其中 是指流速在 坐标方向的分量;
2 流场数值分析
2.1 流场基本假设
基于流体力学基本理论,并且考虑干气密封系统本身结构,对气膜流场分析时作了如下假设[5]:
(1)符合牛顿粘性定律,属于牛顿流体;
(2)温度变化视为忽略,可认为流场内温度、粘度均相等;
(3)流体视为连续介质,可认为密封端面间的气体流动属于完全气体流动;
(4)忽略工作过程中系统扰动和振动对气膜的影响;
(5)忽略密封端面粗糙度对气体流动的影响。
2.2 计算区域
由于密封端面上螺旋槽呈对称性和周期性分布,对于稳态压力场,边界条件也是周期性的,若端面开槽数为Ng,则可以选择整个密封端面的1/Ng份,即一个槽台区和与之相连的坝区作为计算区域,计算区域见图1。
2.3 气膜压力场求解
从计算流体力学知识的角度出发,基于完整的控制微分方程,用Pro/E建立一个周期域内的三维几何实体。密封端面压力分布是与流体动压效应直接相关的。因此,对密封端面流场进行数值求解,能較全面地对干气密封性能做出分析。本文采用FLUENT对螺旋槽干气密封气膜流场进行数值求解、分析[6]。
密封的结构几何参数主要包括密封面中各类直径(如内半径ri、外半径r0和平衡直径rb)、密封面宽度bf、平衡系数b和螺旋槽的形状几何参数。槽形几何参数包括螺旋角α、槽深hg、槽台宽比δ、槽长坝长比γ和槽数Ng。干气密封的主要性能参数:泄漏量、气膜刚度,螺旋槽干气密封两密封端面间的气膜阻止着间隙的变化,每单位膜厚变化引起的力的变化称为刚度,其单位为N/m。
表1为根据文献[7]给出的实验用数据,在研究某个参数对密封性能的影响时,假定其他参数值不变。图2为在此参数设置下螺旋槽干气密封计算区域动环端面处气膜压力沿半径方向的分布及与文献试验值得比较。由图可得,密封端面间的压力从外径到内径逐渐上升,大约在螺旋槽底部压力最高,由此压力值与文献的实验值的比较,可以看出二者比较接近,验证了本文理论计算值与文献试验值的吻合。
3 槽型几何参数对密封性能的影响
3.1 密封性能参数
(1)气膜刚度
单位气膜厚度变化引起开启力的变化称为气膜刚度(N/m)。一般说的气膜刚度指轴向刚度。
(6)
上式中,h1和h2指的是平衡位置附近的微小扰动气膜厚度,相应的开启力分别为f01和f02。无量纲气膜刚度为:
(7)
(2)泄漏量
将其沿圆周积分(内径ID)得到径向泄漏量:
(8)
本研究就槽型几何参数对密封性能参数中的轴向刚度和泄漏量的影响进行分析,分析所用的参数如表1所示,在研究其中某个参数对密封性能的影响时,假定其他参数保持不变。
3.2 参数对密封性能的影响
3.2.1 槽台宽比δ的影响
图3 槽台宽比δ对密封性能的影响
由图3可得,随着槽台宽比的增大,泵入效应和阶梯效应增强,气膜刚度增加,在δ为0.6时达到最大,而后随着槽台宽比的增大而减小。与此同时,坝区所占的比例就越小,当δ大于0.5时,泄漏量的影响趋于平缓。
3.2.2 平衡间隙的影响
由图4可得,平衡间隙越小,泄漏量就越小,平衡间隙很小时气膜不稳定,气膜刚度很小,随着平衡间隙的增大,气膜刚度得到改善而增大,很快达到一最大值,通过最大值之后,平衡间隙如果继续增大气膜刚度就开始下降了。
3.2.3 槽长坝长比γ的影响
由图5可得,随着槽长坝长比的增大,泄漏量持续增大。轴向刚度随着槽长坝长比的变化先增大后减小,在γ等于0.5左右时达到最大值。槽长坝长比的增大意味着螺旋槽的加长,从而密封端面的平均间隙增加,引起泄漏量的增加。同时螺旋槽的加长使得阶梯效应增强,产生更大的动压效果,但是螺旋槽过长将使阻流区大大减小,流体动压效果将迅速减小,从而使得气膜的轴向刚度急剧减小。
4 结束语
本研究对螺旋槽干气密封气膜流场进行建模、确定计算区域,根据螺旋槽干气密封气膜流场控制微分方程,采用计算流体动力学(CFD)软件包FLUENT进行数值求解、分析,得到了密封计算区域动环端面处气膜压力沿半径方向的分布,并与文献试验值进行比较,得出螺旋槽干气密封能产生较好的流体动压效应。
根据所得的气膜压力分布,本研究就槽型几何参数(槽台宽比、平衡间隙、槽长坝长比等)对密封性能中的轴向刚度和泄漏量的影响进行分析,得到了参数的最佳值,研究结果为螺旋槽干气密封的设计提供了有益的参考。
参考文献:
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[3]彭建, 左孝桐. 不同槽型气体端面密封研究[J], 流体机械, 1996, 24(11).
[4]林培锋, 螺旋槽干气密封稳态特性有限元分析[D], 北京化工大学硕士学位论文, 2001, 6.
[5]刘顺隆, 郑群, 计算流体力学[M], 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 1998, 5.
[6]王瑞金, 张凯, 王刚, Fluent技术基础与应用实例[M], 北京: 清华大学出版社, 2007, 2.
[7]Zuk J, Renkel H. E. Numerical Solutions for the Flow and Pressure Fields in an idealized Spiral Grooved Pumping Seal[J].Proc.of Fourth International Conference on Fluid Sealing. 1970, 290-301
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