螺旋槽干氣密封性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

姜紫薇，陳 慶

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

機(jī)械密封是一種常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)軸密封，其具有良好的密封性、可靠性以及適用性，在現(xiàn)代的各種過(guò)程工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用.按照密封端面的接觸狀態(tài)可將其分為接觸式機(jī)械密封、半接觸式機(jī)械密封和非接觸式機(jī)械密封[1].非接觸式機(jī)械密封由于流體靜壓或動(dòng)壓的作用，在正常工作時(shí)兩端面會(huì)楔開(kāi)，產(chǎn)生的氣膜或液膜厚度僅有幾微米，改善了原有接觸式機(jī)械密封端面的摩擦與磨損，延長(zhǎng)了動(dòng)靜環(huán)的使用壽命[2].

氣體端面密封，具有低泄漏、低磨損和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn).雖然在工作時(shí)兩密封端面會(huì)被一層極薄的氣膜隔開(kāi)，但泄漏量與接觸式機(jī)械密封十分相近.因此,氣體端面密封廣泛應(yīng)用在具有高速、高壓特性的流體機(jī)械中.如今干氣密封的動(dòng)環(huán)端面可加工成各種槽型，主要有螺旋槽型、圓弧槽型、T型槽型和直線槽型等[3].目前在工業(yè)中應(yīng)用最廣的是螺旋槽型，由于其良好的動(dòng)壓效應(yīng)，可以在很小的間隙下產(chǎn)生較高的氣膜剛度[4-11].

以下均是對(duì)螺旋槽進(jìn)行的性能分析和參數(shù)優(yōu)化，曹興巖等[12]對(duì)螺旋槽的流場(chǎng)進(jìn)行了分析.劉亞莉等[13]用有限元分析了旋轉(zhuǎn)時(shí)螺旋槽動(dòng)環(huán)的流場(chǎng)壓力和速度分布，并證明氣膜由于受到離心力和泵入作用會(huì)影響泄漏量和氣膜剛度.郝木明等[14]用CFD分析了普通、無(wú)壩區(qū)、有壩區(qū)三種螺旋槽浮環(huán)密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出有壩區(qū)浮環(huán)密封的性能最好，且計(jì)算出了最優(yōu)參數(shù)值.王濤等[15]對(duì)密封端面間的液膜汽化進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)表明液膜汽化易造成密封失效.樓建銘等[16]計(jì)算并研究了端面波度，得出間隙的波度收斂會(huì)使端面溫度降低.

首先基于Fluent對(duì)單螺旋角螺旋槽進(jìn)行模擬計(jì)算的仿真方法，分析端面各個(gè)參數(shù)對(duì)密封性能的影響，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出雙螺旋角槽進(jìn)行模擬計(jì)算，二者進(jìn)行對(duì)比，找出最優(yōu)的密封結(jié)構(gòu).

1 螺旋槽干氣密封的基本結(jié)構(gòu)及密封機(jī)理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

螺旋槽干氣密封與普通的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)基本相同，但螺旋槽干氣密封的動(dòng)環(huán)端面上開(kāi)有各種不同的螺旋槽，將其密封端面分為螺旋槽、密封堰、密封壩三個(gè)部分，如圖1所示.

圖1 螺旋槽結(jié)構(gòu)模型

其中螺旋槽起著泵送作用，產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，密封堰起阻止流體向圓周方向的泄漏，密封壩起阻止流體向半徑方向的泄漏的作用.

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

螺旋槽在柱坐標(biāo)系下的對(duì)數(shù)螺旋線方程，其表達(dá)式為

r=rgeθtanα=rgeθtanβ.

(1)

式中:rg為起始半徑，mm;θ為角度坐標(biāo);β為螺旋角，°.

由于模型的厚度和徑向尺寸相差較大，所以直接用Mesh很難劃分出高質(zhì)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.且由于螺旋槽的各個(gè)流場(chǎng)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，理論上各個(gè)槽區(qū)域的流場(chǎng)情況是一樣的，數(shù)值計(jì)算和網(wǎng)格劃分時(shí)時(shí)只需選擇整個(gè)端面的1/N，可用ICEM劃分出周期性網(wǎng)格，如圖2所示.

圖2 區(qū)域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

干氣密封實(shí)際工作時(shí)，動(dòng)靜環(huán)的間隙充滿流動(dòng)氣體，文中數(shù)值計(jì)算時(shí)取氣體流動(dòng)區(qū)域?yàn)橛?jì)算對(duì)象.用Creo創(chuàng)建出一個(gè)圓柱形帶有凸臺(tái)的薄片結(jié)構(gòu)，其凸臺(tái)對(duì)應(yīng)的是螺旋槽結(jié)構(gòu)，下端圓形薄片為端面氣膜.

1.3 計(jì)算模型和求解方法

考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速對(duì)氣體渦流因素的影響，所以在Fluent的算法中選擇湍流模型取RNGk-ε，其中k和ε的方程為

(2)

(3)

求解器選擇分離的隱式求解器，壓力差值為標(biāo)準(zhǔn)差值格式，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，擴(kuò)散項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式.

2 單螺旋角槽數(shù)值模擬

2.1 單螺旋角槽計(jì)算條件

影響螺旋槽干氣密封性能的因素一般分為：轉(zhuǎn)速、槽數(shù)、螺旋角、槽臺(tái)比、槽深等.文中干氣密封介質(zhì)選為氮?dú)?，假設(shè)氮?dú)鉃槔硐霘怏w;螺旋槽幾何尺寸如下:外徑R0=87 mm，槽根處半徑Rg=76 mm，內(nèi)徑Ri=61 mm;入口壓力P0分別選為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 MPa，出口壓力為P2=0.1 MPa;螺旋角β的大小由槽數(shù)決定，螺旋角槽的個(gè)數(shù)Ng選為9、10、11、12、13、14、15、16;轉(zhuǎn)速n選為10 000、15 000、20 000、25 000、30 000 r/min;槽深h0選為3、4、5、6、7、8 μm;氣膜厚度h=3、3.5、4、4.5、5、5.5 μm.

2.2 槽數(shù)對(duì)干氣密封的影響

由模擬結(jié)果可知，隨著槽數(shù)的增多，螺旋角β逐漸減小，靜壓力逐漸增大.但隨著槽數(shù)的增多，加工難度也越大，當(dāng)槽數(shù)大于15個(gè)后，開(kāi)啟力和泄漏量變化不明顯，由圖3至圖5可以看出槽數(shù)Ng=14時(shí)，靜壓最大、泄漏量小，圖5所示螺旋槽的尖端壓力最大為1.04 MPa，產(chǎn)生的動(dòng)壓效果最好.由圖6所示的螺旋槽徑向壓力的分布曲線可知，在76 mm位置的靜壓比其余任何一個(gè)點(diǎn)上的靜壓都大，恰好為螺旋槽的半徑.

槽數(shù)Ng/個(gè)圖3 槽數(shù)對(duì)靜壓的影響

槽數(shù)Ng/個(gè)圖4 槽數(shù)對(duì)泄漏量的影響

圖5 槽數(shù)為14時(shí)的壓力分布

Position/mm圖6 徑向壓力分布

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)干氣密封的影響

轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，氣膜將不產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng).隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)子吸入氣體的功率加大，從而引起的動(dòng)壓增強(qiáng)，致使開(kāi)啟力增大，如圖7所示.此時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速提高，吸入的氣體量增加，泄漏量也近似成線性增加，如圖8所示.

轉(zhuǎn)速n/(103r·min-1)圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)開(kāi)啟力的影響

轉(zhuǎn)速n/(103r·min-1)圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響

2.4 入口壓力對(duì)干氣密封的影響

單螺旋角槽模擬時(shí)選用的入口壓力最小是0.3 MPa，最大時(shí)為0.8 MPa，出口壓力保持0.1 MPa不變.由圖9和10可知，隨著入口壓力的不斷增大，開(kāi)啟力和泄漏量近似呈線性增加，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)娜肟趬毫?

入口壓力P/MPa圖9 入口壓力對(duì)開(kāi)啟力的影響

入口壓力P/MPa圖10 入口壓力對(duì)泄漏量的影響

2.5 氣膜厚度對(duì)干氣密封的影響

單螺旋角槽研究的氣膜厚度是從3.0 μm至5.5 μm，由圖11可知，開(kāi)啟力隨氣膜厚度的增加成反比降低；由圖12知，當(dāng)h<4 μm時(shí)，氣膜厚度對(duì)泄漏量影響不大；當(dāng)h>4 μm時(shí)，氣膜厚度對(duì)泄漏量的影響非常劇烈.綜合考慮螺旋槽產(chǎn)生的動(dòng)壓效果和泄漏量，氣膜厚度選擇在3 μm時(shí)較為合適.

氣膜厚度h/μm圖11 氣膜厚度對(duì)開(kāi)啟力的影響

氣膜厚度h/μm圖12 氣膜厚度對(duì)泄漏量的影響

3 雙螺旋角槽數(shù)值模擬

3.1 模型建立

普通的單螺旋角槽在入口處有一處低壓區(qū)，使吸力面上出現(xiàn)少量的氣體分離.為進(jìn)一步優(yōu)化其密封性能，設(shè)計(jì)出了雙螺旋角的螺旋槽結(jié)構(gòu).圖13所示為雙螺旋角螺旋槽的幾何模型，它是由2個(gè)不同大小的螺旋角組成，即吸力面角β1和壓力面角β2.

圖13 雙螺旋角槽的二維模型

從上述單螺旋角干氣密封的模擬結(jié)果，選定操作的參數(shù)和單螺旋角槽一致，除端面幾何的兩個(gè)螺旋角不同之外，其他均不變，即入口壓力P0=0.5 MPa，出口壓力P1=0.1 MPa，轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，槽深h0=3 μm，氣膜厚度h=2.5 μm.

3.2 雙螺旋角公差為2°的配合模擬

根據(jù)上述對(duì)不同角度螺旋角的密封結(jié)果分析表明，螺旋角β=18°時(shí)動(dòng)壓效果最大、密封性能最好.所以本文在設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程中選擇了螺旋角β1、β2公差為2°的幾種情況配合，分別為16°和18°、17°和19°、18°和20°；以及螺旋角公差為3°的配合：16°和19°、17°和20°，并將吸力面和壓力面的兩角度對(duì)調(diào)，建立多種模型進(jìn)行模擬結(jié)果對(duì)比.

通過(guò)對(duì)以下六組螺旋角公差為2°的槽型密封性能分析，當(dāng)吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角時(shí)，產(chǎn)生的開(kāi)啟力大于另一種情況，見(jiàn)表1.當(dāng)泄漏量與單螺旋角相差不大時(shí)，雙螺旋角槽產(chǎn)生的開(kāi)啟力明顯大于單螺旋角槽.這是由于雙螺旋角槽的泵入效應(yīng)強(qiáng)，吸入的氣體流量更大，可以密封高壓氣體.綜上分析，當(dāng)吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角時(shí)，密封性能更加優(yōu)良，且當(dāng)螺旋角為19°和17°配合時(shí)產(chǎn)生的壓力最大，動(dòng)壓效果也最明顯.

表1 公差為2°的螺旋角性能分析

3.3 雙螺旋角公差為3°的配合模擬

由上述結(jié)論可知吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角時(shí)密封性能更好，所以在計(jì)算公差為3°的螺旋角時(shí)直接采用19°和16°、20°和17°配合的模型進(jìn)行模擬，結(jié)果如表2所示.隨著兩組配合的螺旋角β增大，螺旋槽尖端產(chǎn)生壓力峰值降低，泄漏量也在加大.

表2 公差為3°的螺旋角性能分析

從表1和表2的結(jié)論對(duì)比分析看來(lái)公差為2°的螺旋角槽比公差為3°的螺旋角槽產(chǎn)生的開(kāi)啟力略大，泄漏量也較小，所以對(duì)比來(lái)說(shuō)雙螺旋角槽角度不是相差越大性能就越好，要在原本單螺旋角槽的基礎(chǔ)上稍微改變吸力面螺旋角的大小，所以本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的公差為2°的雙螺旋角槽密封性能更優(yōu)越.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)螺旋角槽數(shù)Ng=14時(shí)，泄漏量較為合適，產(chǎn)生的動(dòng)壓效果最好；當(dāng)其他條件不變只改變轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越高泄漏量也隨之增大；增大入口壓力時(shí)，開(kāi)啟力和泄漏量都幾乎成線性增加；開(kāi)啟力隨氣膜厚度的增加而降低，計(jì)算得出氣膜厚度在3 μm時(shí)較為合適.

(2)基于單螺旋角槽的優(yōu)化參數(shù)，提出了由吸力面β1和壓力面β2組成的雙螺旋角螺旋槽.通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比，雙螺旋角槽的泵入效應(yīng)強(qiáng)，當(dāng)吸力面的螺旋角大于壓力面的螺旋角，密封效果更好.

(3)雙螺旋角槽中兩角公差為2°的螺旋角槽比公差為3°的螺旋角槽產(chǎn)生的開(kāi)啟力略大，泄漏量小，性能最優(yōu).