PEEK材料氣封圈在壓縮機(jī)裝配中的應(yīng)用研究

王政凱，白德斌，馬若晨，汪昶蕊

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

隨著科技的發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)峻[1]，天然氣等清潔能源在人類日常生活與工業(yè)使用中所占比例逐漸增大。但天然氣的開采地與使用地往往相距很遠(yuǎn)，故需要長(zhǎng)輸管路來進(jìn)行天然氣的運(yùn)輸，在天然氣運(yùn)輸?shù)倪^程中常需要使用離心式壓縮機(jī)給其補(bǔ)充動(dòng)力，以便天然氣運(yùn)輸?shù)母h(yuǎn)[2-3]。

聚醚醚酮（PEEK）是一種具有耐高溫、自潤(rùn)滑、易加工和高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異性能的特種工程材料，其不光在機(jī)械制造加工領(lǐng)域使用廣泛[4]，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域亦有較好的應(yīng)用前景。目前PEEK材料在骨科、口腔頜面外科等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用[5]。

某型天然氣管線壓縮機(jī)的級(jí)間及口圈部位氣封圈采用聚醚醚酮（PEEK）材料制成，根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及裝配工藝綜合考慮，該機(jī)組轉(zhuǎn)子在軸承最終安裝前，需依靠級(jí)間氣封圈提供支撐，但由于缺乏該材料氣封圈的承載能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以實(shí)際裝配過程中存在轉(zhuǎn)子壓壞氣封齒的風(fēng)險(xiǎn)。

本文進(jìn)行PEEK材料氣封圈基于Ansys Workbench[6]的數(shù)值計(jì)算分析[7]和承載試驗(yàn)，來驗(yàn)證該材料氣封圈實(shí)際承載能力，同時(shí)論證該類型氣封圈在總裝過程中是否可以采用傳統(tǒng)壓鉛方法[8-9]測(cè)量底部通流間隙[10]并提出綜合解決方法。研究結(jié)果可對(duì)PEEK材料氣封圈在壓縮機(jī)中的應(yīng)用提供一些參考。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象選用該型壓縮機(jī)級(jí)間氣封圈，如圖1所示，氣封圈承載的額定載荷為1 200 kg。

圖1 氣封圈模型圖

1.2 數(shù)值研究方法

1.2.1 計(jì)算模型

設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算模型與承載試驗(yàn)原理相一致，其中數(shù)值計(jì)算模型包括氣封圈和工藝軸兩部分，考慮到簡(jiǎn)化計(jì)算模型，工藝軸選取單半，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

考慮計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，本文計(jì)算對(duì)模型劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，工藝軸網(wǎng)格尺寸為10 mm，氣封圈網(wǎng)格尺寸為3 mm，網(wǎng)格總數(shù)為36萬，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

1.2.3 材料屬性及計(jì)算邊界條件

材料屬性：氣封圈材料為PEEK，工藝軸材料為Q235-B，具體材料屬性見表1。

表1 材料性能數(shù)據(jù)

計(jì)算邊界條件：施加豎直向下的重力載荷（Standard Earth Gravity），工藝軸中分平面施加豎直向下的力載荷（Force）代表千斤頂施加的力，氣封圈外圓表面施加固定約束（Fixed Support）代表底座對(duì)氣封的支撐。

1.3 工藝承載實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)制作的氣封圈承載實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，主要包括氣封圈、工藝軸、底座、千斤頂及其固定工裝。實(shí)驗(yàn)通過千斤頂施加載荷，觀察氣封圈受壓變形情況，記錄間隙數(shù)據(jù)變化情況并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 結(jié)果分析

氣封圈額定載荷（M）為1 200 kg，本文計(jì)算與試驗(yàn)工況均選擇為額定載荷的1.0倍、1.25倍、1.5倍進(jìn)行。

2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值分析采用Ansys Workbench17.2靜力學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 氣封圈應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示，可以看出隨著載荷的增加，氣封圈的應(yīng)力不斷增大。在1.0倍額定載荷時(shí)，最大應(yīng)力數(shù)值為31.07 MPa；1.25倍額定載荷時(shí)，最大應(yīng)力為38.766 MPa；1.5倍額定載荷時(shí)，最大應(yīng)力為46.415 MPa。三種荷載作用時(shí)氣封圈的最大應(yīng)力較其材料的屈服強(qiáng)度要小，這說明PEEK材料氣封圈在承載過程中可為轉(zhuǎn)子提供支撐，并且其不會(huì)被破壞。

圖5 計(jì)算應(yīng)力圖

2.1.2 氣封圈形變計(jì)算結(jié)果

氣封圈的變形選取在豎直的載荷作用方向的變形進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從結(jié)果圖中看出，變形的變化與應(yīng)力變化相一致，均隨著載荷的增加而增加。在1.0倍額定載荷時(shí)，天地方向的最大形變量為0.284 mm，出現(xiàn)在氣封圈底部與工藝軸接觸的位置；1.25倍額定載荷時(shí)，形變量為0.354 mm；1.5倍額定載荷時(shí)，形變量為0.425 mm。

圖6 計(jì)算形變圖

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 承載試驗(yàn)

對(duì)PEEK材料氣封圈承載能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過測(cè)量工藝軸與底座間隙的變化來表征氣封圈的形變量。試驗(yàn)過程中分別測(cè)量了試驗(yàn)裝置前后兩側(cè)的間隙值，結(jié)果見表2，隨著載荷的增加，間隙逐步減小。

表2 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

間隙變化變量與數(shù)值計(jì)算值的對(duì)比如圖7所示，從圖中可以看出試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的精度。綜上分析，PEEK材料氣封圈其承載能力具備在總裝過程中為轉(zhuǎn)子提供支撐。

圖7 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算值對(duì)比

2.2.2 底部壓鉛試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳統(tǒng)壓鉛方法在該型壓縮機(jī)裝配時(shí)的適用性，于是進(jìn)行氣封圈底部壓鉛絲試驗(yàn)，鉛絲布置如圖8所示。

圖8 鉛絲布置

根據(jù)鉛絲布置，計(jì)算氣封圈理論受力，其中施加的載荷1 200 kg，氣封齒寬度0.3 mm，氣封齒個(gè)數(shù)為24，鉛絲直徑1.5 mm，得出壓鉛時(shí)氣封圈所受壓力為1 088 MPa，超過其屈服極限，會(huì)變形破壞。計(jì)算公式如下。

鉛絲布置完畢后，施加額定載荷，使氣封圈承載，氣封圈變化如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)壓鉛試驗(yàn)對(duì)氣封齒造成了局部的缺陷，與理論計(jì)算相符。

圖9 氣封圈變化

對(duì)缺陷氣封圈進(jìn)行二次施加額定載荷，結(jié)果如圖10所示，氣封齒出現(xiàn)大面積破裂。這是由于氣封圈壓鉛產(chǎn)生的缺陷破壞了其整體受力結(jié)構(gòu)，從而造成氣封齒的破裂。這表明該機(jī)組在總裝過程中無法使用壓鉛方法測(cè)量底部通流間隙，需要采用其他方法來保證通流間隙。

圖10 氣封圈二次承載結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值計(jì)算與工藝試驗(yàn)，研究了PEEK材料氣封圈在壓縮機(jī)總裝過程中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

（1）數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明，氣封圈承受轉(zhuǎn)子重量時(shí)產(chǎn)生的形變處于彈性變形階段，應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度。從而該氣封圈具備總裝過程中為轉(zhuǎn)子提供臨時(shí)支撐的能力。

（2）試驗(yàn)證明采用通流測(cè)量壓鉛法會(huì)對(duì)氣封齒造成破壞，在實(shí)際總裝時(shí)需采用其他方法來保證通流間隙。