離心式氯氣壓縮機(jī)密封系統(tǒng)的計算流體力學(xué)評估

李曉巍

(錦西化工研究院有限公司，遼寧 葫蘆島 125000)

計算流體力學(xué)(CFD)是一門應(yīng)用廣泛的新興交叉科學(xué)，在流體力學(xué)研究領(lǐng)域具有強大生命力，可在流體力學(xué)研究中用于建模仿真、數(shù)值計算等。CFD綜合了計算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)科學(xué)以及其他相關(guān)的數(shù)學(xué)科學(xué)等，具有強大的計算分析能力，目前是流體力學(xué)研究的一大熱點。目前流體力學(xué)和計算機(jī)領(lǐng)域都發(fā)展得非常迅速，通過計算機(jī)可以直觀快速地建立相關(guān)的研究模型并計算出結(jié)果，結(jié)果相對可靠，能夠幫助研究人員快速準(zhǔn)確地估計流體運動規(guī)律和相關(guān)力學(xué)特性。計算流體力學(xué)的研究過程為先分析被研究對象的特性并建立其幾何模型，然后選擇合理的網(wǎng)格形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后針對模型的特征以及相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行計算處理，分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

本文中建立不同條件下的離心式氯氣壓縮機(jī)的三腔迷宮式梳齒密封的計算模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行了CFD計算和分析，并做出評估。

1 密封腔的分析和計算

1.1 建立密封模型

由于每個腔體內(nèi)的迷宮密封都是高低齒型迷宮密封，其原理和構(gòu)造完全相同，故只以第一腔為例進(jìn)行分析和數(shù)值計算，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在對本文中這類密封齒數(shù)量較多的密封模擬計算的過程中，三維計算將使模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量大大增加，計算量過大。而本文中主要考察密封性能，故為方便計算，可以不考慮葉輪主流區(qū)域。綜合這兩點，在ANSYS軟件中建立該部分密封的二維模型并進(jìn)行模擬。

本文中針對密封腔內(nèi)不同部位不同情況，采用相對應(yīng)的網(wǎng)格劃分方式，劃分工具采用了GAMBIT軟件。為了保障網(wǎng)格劃分滿足計算要求，對環(huán)狀鎳帶的凹弧進(jìn)行了相關(guān)處理，使其平滑。對于流域，本文中采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且對邊界處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理以保證邊界處計算結(jié)果的可靠性，網(wǎng)格的劃分方式見圖2。

圖1 迷宮密封子午面視圖

圖2 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及劃分

1.2 設(shè)定初始條件

進(jìn)入ANSYS軟件中的fluent計算模塊，在本次計算過程中采用二維計算方式，單位為mm。圖3顯示了包含左右兩邊的出入口、下方的旋轉(zhuǎn)壁面和上方的墻壁的計算流域。

圖3 計算流域

在計算之前應(yīng)設(shè)定模型的初始條件。在本次計算過程中，選用k-e湍流模型和real gas物性作為模型的計算準(zhǔn)則，同時考慮了系統(tǒng)的總能量方程。流體介質(zhì)選擇本文中研究的對象工作氣體Cl2。將出入口的溫度和壓力進(jìn)行分別設(shè)置，作為系統(tǒng)的邊界條件。同時根據(jù)計算對象(軸端密封)，設(shè)置了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。具體如下：入口壓力，0.153 MPa；出口壓力，0.118 MPa；轉(zhuǎn)速，10 407 r/min。

設(shè)定初始條件后，生成了密封模型的收斂曲線。收斂過程較為平穩(wěn)，滿足精度要求。

1.3 數(shù)值計算結(jié)果

為了方便分析計算結(jié)果，下面先介紹迷宮密封的原理。密封前后的壓力不同，腔內(nèi)氣體在壓力差的作用下將從高壓處流向低壓處。在軸與密封齒形成間隙的部分，氣體將加速通過，在此過程中，氣體的壓力和溫度都將發(fā)生變化。流過間隙后，氣體將進(jìn)入面積較大的齒間空腔內(nèi)，在此空腔內(nèi)，氣體將形成旋渦，氣體速度將減小，若空腔足夠大，氣體的流速將幾乎降低為零。在此過程中，氣體的動能將全部轉(zhuǎn)化為熱能，溫度上升，但壓力在此過程中幾乎很少增大。該過程結(jié)束后，氣體將流入下一個軸與密封齒形成的間隙內(nèi)，又將開啟新一輪的上述過程，這樣氣體的壓力將不斷減小，這一過程也叫節(jié)流過程。

完成計算后，對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先分析壓力變化情況，氣體壓力在由入口流入第一腔內(nèi)的過程中逐漸降低，圖4是該過程的壓力云圖。再分析氣體流動過程中速度的變化情況，圖5顯示的是流體流動的速度云圖。從圖5可知：氣體速度在流經(jīng)密封齒處有明顯的加快跡象，而在空腔中速度明顯減小。最后分析該過程中氣體的溫度變化情況，圖6是該過程的溫度云圖。氣體溫度在每個空腔內(nèi)幾乎沒有發(fā)生變化，但在通過密封齒前后有較大變化，通過前溫度較低，通過后溫度較高。

圖4 壓力云圖

圖5 軸向速度云圖

圖6 溫度云圖

由于氣體流經(jīng)每個高低齒的流動變化規(guī)律相同，故下面只分析一個密封齒處氣體流動的運動規(guī)律。氣體流速變化規(guī)律在間隙密封處的結(jié)果與節(jié)流規(guī)律吻合，即氣體在流經(jīng)密封齒的過程中，氣體速度明顯變快，而當(dāng)流入空腔內(nèi)時，速度又明顯下降。圖7是這一過程中氣體的速度矢量圖。由圖7可知：當(dāng)氣體進(jìn)入腔體內(nèi)時，由于形成了旋渦，速度明顯減小，并且旋渦中心處的氣體幾乎停止流動。當(dāng)氣體在空腔內(nèi)形成旋渦時，氣體速度減小，動能轉(zhuǎn)化為熱能。由于氣體處于密閉空腔內(nèi)，產(chǎn)生的熱量將加熱氣體本身，氣體溫度上升(圖8為這一過程的溫度變化圖)。由于密封齒采用的是高低齒設(shè)計，因此當(dāng)氣體流入腔內(nèi)時將產(chǎn)生2個旋渦，氣體速度下降非常明顯。不過在進(jìn)入空腔的過程中，氣體的壓力(見圖9)并沒有發(fā)生較大變化，可以認(rèn)為沒有發(fā)生變化。故當(dāng)氣體經(jīng)歷多次該循環(huán)后，氣體的壓力將明顯減小。

最終計算出的泄漏量與理論計算出的泄漏量誤差約15%，因為在理論推導(dǎo)的過程中對一些條件和實際情況進(jìn)行了簡化，故在該誤差范圍內(nèi)，計算結(jié)果是可靠的。

圖7 某一高低齒內(nèi)速度矢量圖

圖8 某一高低齒內(nèi)溫度云圖

圖9 某一高低齒內(nèi)壓力云圖

2 三腔的分析和計算

2.1 二級葉輪入口側(cè)三腔密封內(nèi)部流場

圖10為三腔密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，為了分析三腔密封能否滿足安全運行的要求，本節(jié)將同時考察三腔密封內(nèi)部的氣體運動變化情況。首先對整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分方式與第一段密封處的劃分方式完全相同。

根據(jù)建立的模型，在fluent中計算，網(wǎng)格采用二維網(wǎng)格，計算域如圖11所示。

圖10 三腔密封平面視圖

圖11 二級葉輪入口側(cè)三腔密封內(nèi)部流場的計算流域示意圖

計算過程中選擇k-e模型作為氣體流動的湍流模型，氣體能量轉(zhuǎn)化采用總能量方程。根據(jù)本文中設(shè)計的壓縮機(jī)選定了氣體介質(zhì)，并設(shè)定了收斂目標(biāo)。邊界條件中，將腔體壁面設(shè)定為絕熱無滑移，具體參數(shù)如表1所示。

根據(jù)收斂過程可知，計算達(dá)到穩(wěn)定。

現(xiàn)在考察流體介質(zhì)在密封腔內(nèi)的分布情況，本文中設(shè)計的密封腔內(nèi)只有2種氣體，即氯氣和氮氣，圖12顯示了密封腔體內(nèi)2種氣體的分布情況。

表1 二級葉輪入口側(cè)三腔密封內(nèi)部流場邊界條件設(shè)定Table 1 Boundary condition setting of flow field inside three-chamber seal at inlet side of second-stage impeller

(a)氯氣

(b)氮氣

在密封腔內(nèi)，在二級葉輪入口處，氯氣首先進(jìn)入密封結(jié)構(gòu)內(nèi)。隨后氯氣經(jīng)過密封區(qū)域，并且進(jìn)入平衡腔內(nèi)。在平衡腔內(nèi)，氯氣將流失一部分，剩余部分將進(jìn)入下一個密封腔中。當(dāng)氯氣進(jìn)入抽氣腔中時，氮氣與其混合，形成混合氣體。混合氣體最終被抽走回到壓縮機(jī)的進(jìn)口處，而此時的抽氣腔右邊將不會存留氯氣。氮氣補充腔處的氮氣流向抽氣腔和平衡腔。表2是各個出入口的氣體分布情況。

二級葉輪入口和平衡腔內(nèi)流經(jīng)的氣體都為氯氣，氮氣從補充入口進(jìn)入，抽氣腔混合了兩種氣體，最終只有氮氣流出，避免了氯氣泄漏。

2.2 計算最小氮氣入口壓力

密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置差壓變送器來調(diào)節(jié)平衡腔和氮氣入口處的壓力。它們之間存在相應(yīng)的管道將其連通，故在其上測量出的壓力值是經(jīng)過管道有一定損失后的測量值。但是計算過程中并未考慮管道帶來的損失，故計算后須作一定處理。

表2 氮氣補充腔入口壓力為0.135 MPa時各出入口流量Table 2 Flow rate at various inlets and outlets when inlet pressure of nitrogen refilling chamber is 0.135 MPa

氣體流動首先要產(chǎn)生壓差，要保證氯氣不會從出口處流出，則需要一定壓力的氮氣來平衡氯氣的壓力。根據(jù)前面計算出的平衡腔壓力，繼續(xù)設(shè)置為該值(0.118 MPa)，并將氮氣入口處壓力也設(shè)置為同樣值，然后進(jìn)行計算。計算后結(jié)果見圖13，要避免氯氣外逸，只需氮氣入口處和平衡腔內(nèi)壓力相同即可。圖14顯示了此時密封內(nèi)壓力分布情況，氮氣入口處和平衡腔內(nèi)的氣體由于壓差將流向抽氣腔。

圖13 二級葉輪入口側(cè)密封腔內(nèi)氯氣的分布

圖14 二級葉輪入口側(cè)密封腔內(nèi)壓力分布

各個進(jìn)出口的氣體分布情況見表3。

表3 氮氣補充腔入口壓力為0.118 MPa時各出入口流量Table 3 Flow rate at various inlets and outlets when inlet pressure of nitrogen refilling chamber is 0.118 MPa

抽氣腔出口氯氣流量=二級葉輪入口流量-平衡腔出口流量,抽氣腔出口流量=氯氣流量+氮氣流量。代入表3中的數(shù)據(jù)，可得氯氣流量=0.007-0.005=0.002(kg/s),氮氣流量=0.004-0.002=0.002(kg/s)。因此，氮氣含量與氯氣含量基本一致。當(dāng)抽氣腔的氮氣含量和氯氣含量基本一致時，氮氣的入口壓力和平衡腔的壓力也基本在相同的水平，因此氮氣的補充可以減少，這種條件下氯氣仍將不會發(fā)生泄漏。

在實際流域的氣體流通過程中，管道會對流經(jīng)的氣體壓力變化產(chǎn)生相應(yīng)的影響，而沒有將此考慮到計算過程中。由于差壓變送器內(nèi)有管道損失，則為了使氮氣入口的壓力等于平衡腔出口的壓力，在變送器部位測量出的壓力應(yīng)該小于平衡腔處。與之相反，氮氣入口處壓力應(yīng)該大于平衡腔。

2.3 一級葉輪入口側(cè)三腔密封內(nèi)部流場

一級入口處的計算流域中，氣體主要流經(jīng)一級葉輪出口、平衡腔，還有氮氣流經(jīng)的氮氣補充腔入口，以及最終的氣體出口，具體分布情況見圖15。在一級葉輪入口處，平衡腔的壓力高于一級入口的壓力，故氣體流通方向和二級剛好相反。

本次計算的初始設(shè)置和前文保持不變，具體設(shè)置見表4。

表4 一級葉輪入口側(cè)三腔密封內(nèi)部流場邊界條件設(shè)定Table 4 Boundary condition setting of flow field inside three-chamber seal at inlet side of first-stage impeller

圖16和圖17是本次計算收斂后，氣體壓力分布及氯氣分布圖。從圖16中可看出：平衡腔的壓力大于一級入口和抽氣腔的壓力，氣體將從平衡腔流向這兩個部位。而氮氣的入口處壓力大于抽氣腔和出口，故氮氣將流向這兩個部位。從圖17可以發(fā)現(xiàn)：抽氣腔的左側(cè)沒有存留氯氣。各出入口的氣體流量分布情況見表5。

圖15 一級葉輪入口側(cè)三腔密封內(nèi)部流場的計算流域示意圖

圖16 一級葉輪入口側(cè)密封腔內(nèi)壓力分布

圖17 一級葉輪入口側(cè)密封腔內(nèi)氯氣分布

表5 一級葉輪入口側(cè)三腔密封各出入口流量Table 5 Flow rate at various inlets and outlets of three-chamber seal at inlet side of first-stage impeller

從表5中可以發(fā)現(xiàn)：存留在平衡腔的氯氣最終將大部分向一級入口流去。而在抽氣腔內(nèi)，氮氣將占主要部分，約為氯氣含量的3倍。只要氮氣入口的壓力高于平衡腔，密封結(jié)構(gòu)的氯氣將不會發(fā)生泄漏。

2.4 一級葉輪入口側(cè)突變工況下三腔密封內(nèi)部流場

為了能夠滿足不同用戶在不同工況下，密封結(jié)構(gòu)仍能夠滿足設(shè)計要求，本次計算將考察在一級葉輪入口的壓力突變情況下，密封結(jié)構(gòu)的密閉性。通常情況，即使用戶生產(chǎn)條件不一，但總體壓力變化范圍將保持在30%的范圍內(nèi)，故計算過程中將一級葉輪入口的壓力突增50%，來考察密封結(jié)構(gòu)的工作情況。當(dāng)壓力突然增加后，計算的初始設(shè)置發(fā)生了一些變化，其中邊界條件的變化見表6。當(dāng)一級壓力突增時，其壓力將大于平衡腔壓力，故原來的氣流方向?qū)l(fā)生改變，將像二級密封處的流動方式一樣，由一級流向平衡腔。

表6 突變工況下邊界條件設(shè)定Table 6 Boundary condition setting when operation conditions change suddenly

計算的基本設(shè)置與前文保持一致，壓力分布如圖18所示。一級壓力突然增加，但該處并沒有氯氣流出，氯氣的分布圖如圖19所示。

在計算之前，將平衡腔的壓力設(shè)定為小于一級入口的壓力，平衡腔內(nèi)的氣體應(yīng)該為向外流出。而在實際計算過程中，當(dāng)氣體流經(jīng)過密封后，平衡腔入口的壓力卻大于一級入口的壓力，這樣平衡腔的氣流方向反向，兩部分氣體將混合并一起流向抽氣腔。這樣在原來的基礎(chǔ)上，出口將減少一個，而相應(yīng)的進(jìn)口將增加一個。氮氣和氯氣在各個出入口的分布情況見表7。從表7可以看出，氮氣還是占主要部分。

圖18 一級壓力突然增大密封腔內(nèi)的壓力分布

圖19 一級壓力突然增大密封腔內(nèi)氯氣分布

表7 一級葉輪入口側(cè)突變工況下三腔密封各出入口流量Table 7 Flow rate at various inlets and outletsof three-chamber seal when operation conditionschange suddenly at inlet side of first-stage impeller

平衡腔的壓力會隨著入口壓力提高而有一個提升過程，氮氣入口可以調(diào)節(jié)壓差，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，各截面將保持壓力穩(wěn)定，從而可以避免氯氣泄漏。

3 結(jié)語

CFD的功能強大，在氯氣壓縮機(jī)的研究、開發(fā)中可發(fā)揮重要的作用，研究人員可以快速、方便地通過模擬計算結(jié)果，直觀地了解壓縮機(jī)內(nèi)部流體流動的情況，掌握其流動規(guī)律，從而有針對性地進(jìn)行試驗研究。