基于CFD對(duì)啟停階段干氣密封槽型控制與演變的數(shù)值仿真分析

楊益服 李文磊 李俊杰 高 德 張 煒 陸俊杰

（1.浙江希望機(jī)械有限公司；2.浙大寧波理工學(xué)院）

由于干氣密封屬于非接觸氣體動(dòng)壓密封的先進(jìn)性代表， 使密封產(chǎn)品的壽命得到大幅提高，同時(shí)還具備更低的泄漏量、更高的穩(wěn)定性及可靠性等優(yōu)點(diǎn)［1～3］，因此干氣密封逐漸被推廣應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸端密封中。 然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于壓縮機(jī)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在一些極端工況，如啟停過(guò)程、低速開車階段等，干氣密封暴露出較大的隱患。 某化肥廠CO2壓縮機(jī)中的28AT型干氣密封頻繁出現(xiàn)故障，拆檢后發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)端面有明顯的磨損痕跡［4］，分析認(rèn)為是開啟力不足或氣膜剛度不夠大而導(dǎo)致的動(dòng)靜環(huán)端面有接觸造成的磨損；廣州石化分公司加氫裂化壓縮機(jī)干氣密封在開機(jī)升速過(guò)程中突然發(fā)生損壞，拆檢發(fā)現(xiàn)動(dòng)環(huán)碎裂［5］，分析認(rèn)為升速過(guò)程中開啟力不足導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)碰撞從而發(fā)生干摩擦和熱裂；浙江鎮(zhèn)海某石化公司， 在裝置停工期間發(fā)現(xiàn)循環(huán)氫壓縮機(jī)C3101后端干氣密封一次氣排火炬流量和壓力超標(biāo)，分析認(rèn)為干氣密封發(fā)生機(jī)械性損壞，二級(jí)密封在低壓力下以干摩擦占主導(dǎo)作用，連續(xù)的干摩擦產(chǎn)生大量的熱量，高溫最終導(dǎo)致了動(dòng)靜環(huán)密封圈的熔化、損壞和動(dòng)環(huán)的高溫?zé)崃选?由此可見，在機(jī)組啟停過(guò)程中，密封的動(dòng)壓效應(yīng)不足，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)環(huán)和靜環(huán)碰摩［6，7］，甚至“抱死”，從而擦傷環(huán)體表面和槽型； 嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起密封系統(tǒng)損傷，泄漏急劇增大，從而導(dǎo)致機(jī)組被迫緊急停車，可能會(huì)造成不可挽回的安全事故、經(jīng)濟(jì)損失等，因此提高機(jī)組啟停階段密封動(dòng)壓槽的動(dòng)壓效應(yīng)、加強(qiáng)氣膜剛度、增大密封系統(tǒng)穩(wěn)定性是十分關(guān)鍵的。

實(shí)踐證明，通過(guò)在干氣密封動(dòng)環(huán)表面激光雕刻出形狀各異的微尺度槽型， 可以提高開啟力、保證密封端面的快速開啟［8，9］。 目前，各大石化廠的壓縮機(jī)機(jī)組，使用較多的干氣密封類型為中間帶迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封和雙端面干氣密封，其中動(dòng)環(huán)表面開設(shè)了螺旋槽，使得螺旋槽干氣密封（SG-DGS）被大范圍推廣使用［10，11］。 但是螺旋槽干氣密封在啟停過(guò)程和低速開車階段，表現(xiàn)出動(dòng)環(huán)和靜環(huán)振動(dòng)較大、表面碰摩及出現(xiàn)擦痕等現(xiàn)象［12，13］，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備逐漸向高壓力、高轉(zhuǎn)速、高溫和大尺寸方向發(fā)展，所以尋找一種新槽型保證在低速和啟動(dòng)時(shí)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)能快速脫開，是解決石化廠密封問題的關(guān)鍵。

筆者基于啟停階段低速低壓的工況條件，建立螺旋槽干氣密封和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽（SIR-SGDGS）的數(shù)據(jù)模型，利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件定義，隨后使用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析，獲得兩種不同槽型的壓力分布云圖，并通過(guò)計(jì)算獲得兩種槽型在低速低壓條件下的開啟力和泄漏量變化規(guī)律，探尋階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在啟停階段的性能規(guī)律，分析兩種槽型的差異原因，為今后干氣密封理論研究和工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽結(jié)構(gòu)

普通螺旋槽動(dòng)環(huán)和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在普通螺旋槽的基礎(chǔ)上，增加了一圈內(nèi)環(huán)槽，而且內(nèi)環(huán)槽的深度比螺旋槽小，從而內(nèi)環(huán)槽和螺旋槽之間形成了一個(gè)臺(tái)階。 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽具備以下優(yōu)點(diǎn)：首先氣體由于泵吸效應(yīng)，被送入螺旋槽內(nèi)，同時(shí)槽內(nèi)氣體不斷壓縮，從而在槽根部的氣膜壓力升高，形成動(dòng)壓效應(yīng)；在槽根部?jī)?nèi)環(huán)處會(huì)儲(chǔ)存一部分的壓力，提高其靜壓能力，同時(shí)動(dòng)態(tài)下的氣膜壓力也會(huì)在內(nèi)環(huán)槽得到進(jìn)一步提升；內(nèi)環(huán)槽與螺旋槽之間存在臺(tái)階，形成節(jié)流作用，使得壓力升高、泄漏量降低；環(huán)槽底部與動(dòng)環(huán)內(nèi)徑有一層臺(tái)階，對(duì)氣體形成了阻流作用。 因此，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在擁有螺旋槽的動(dòng)壓效應(yīng)、泵吸效應(yīng)和節(jié)流效應(yīng)之外，又多增加了儲(chǔ)壓能力，整個(gè)動(dòng)環(huán)有兩層臺(tái)階，可以更加有效地起到節(jié)流作用，令壓力得到提高的同時(shí)降低了泄漏量。

圖1 普通螺旋槽動(dòng)環(huán)和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)

2 干氣密封介紹

2.1 干氣密封的基本結(jié)構(gòu)

干氣密封的結(jié)構(gòu)如圖2所示， 基本的零部件有彈簧、推環(huán)、O形圈、靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、動(dòng)環(huán)座、彈簧座及軸承等。 將彈簧安裝于彈簧座中，上部安裝推環(huán)和O形圈（浮動(dòng)圈），隨后利用卡圈將靜環(huán)安置于彈簧座中，使得靜環(huán)與彈簧、推環(huán)能進(jìn)行軸向浮動(dòng)；動(dòng)環(huán)安裝于動(dòng)環(huán)座中，一般利用熱套或過(guò)盈配合，在動(dòng)環(huán)與動(dòng)環(huán)座之間安裝兩條O形圈，為了起到二次密封、減震和支撐的作用，將靜環(huán)組件和動(dòng)環(huán)組件安裝于軸套中， 并安裝密封腔，形成了一套干氣密封系統(tǒng)，在密封腔上開設(shè)小孔以便進(jìn)氣和出氣。 可將密封氣分為前置密封氣、隔離氣、主密封氣及二級(jí)密封氣等，同時(shí)密封泄漏氣可根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次收集或直接排空。 目前干氣密封根據(jù)壓縮機(jī)組和泵的結(jié)構(gòu)形式、工況要求等，可以分為雙端面、串聯(lián)和單端面結(jié)構(gòu)，其中雙端面結(jié)構(gòu)為動(dòng)環(huán)背靠背或面對(duì)面安裝，串聯(lián)結(jié)構(gòu)中較為常用的有帶中間迷宮密封的兩級(jí)干氣密封和第1級(jí)為波紋管機(jī)械密封、第2級(jí)為干氣密封的形式，單端面結(jié)構(gòu)多用于泵的密封。

圖2 干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 干氣密封工作原理

圖3為干氣密封的受力圖，彈簧力Fs和密封介質(zhì)力Fe組成了干氣密封的閉合力Fc（Fc=Fs+Fe），作用在靜環(huán)背側(cè)，而密封端面間的流體動(dòng)壓力則是干氣密封的開啟力Fo。密封剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)速較低，動(dòng)壓槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力較小，使得閉合力大于開啟力，動(dòng)靜環(huán)保持接觸，而隨著轉(zhuǎn)速增大，流體動(dòng)壓力升高，開啟力逐漸增大，但閉合力基本保持不變，使得靜環(huán)發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜環(huán)脫開，此時(shí)彈簧被壓縮，閉合力增大，直至密封閉合力與開啟力達(dá)到平衡，端面間形成穩(wěn)定的氣膜，干氣密封開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 通過(guò)改變端面的動(dòng)壓槽型，提高端面在低速低壓和啟停階段的開啟能力，是保證干氣密封和壓縮機(jī)機(jī)組正常工作的關(guān)鍵。

圖3 干氣密封受力示意圖

由干氣密封受力平衡可知閉合力等于開啟力，即Fc=Fo，其中：

3 數(shù)值模擬與計(jì)算

3.1 幾何模型

結(jié)合干氣密封系統(tǒng)和動(dòng)靜環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用了普通螺旋槽與階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽兩種槽型為本次槽型結(jié)構(gòu)，并建立潤(rùn)滑氣膜幾何模型（圖4），這里為了標(biāo)注和說(shuō)明方便，將兩種槽型繪制成了一個(gè)示意圖，上半部分為普通螺旋槽，下半部分為階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽。

圖4 潤(rùn)滑氣膜幾何模型

螺旋槽的槽型為螺旋線，滿足對(duì)數(shù)螺旋線方程。 在柱坐標(biāo)系下方程為：

式中

R——螺旋槽半徑；

Rg——起始半徑（槽根半徑）；

α——螺旋角；

φ——角度坐標(biāo)。

筆者選取文獻(xiàn)［14］中的端面結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，幾何參數(shù)如下：

動(dòng)環(huán)外半徑Ro77.78 mm

動(dòng)環(huán)內(nèi)半徑Ri58.42 mm

槽根半徑Rg69 mm

內(nèi)環(huán)半徑Rii67 mm

槽數(shù)n 12

螺旋角α 75°

槽深h 5 μm

氣膜厚度δ 3.05 μm

3.2 流場(chǎng)的基本假設(shè)

根據(jù)流體力學(xué)基本理論， 同時(shí)考慮密封靜環(huán)、動(dòng)環(huán)和密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)密封端面間的氣膜穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，做了如下假設(shè)：

a. 密封端面間隙內(nèi)流體視為連續(xù)介質(zhì)，此介質(zhì)為理想氣體，屬于層流流動(dòng)；

b. 端面潤(rùn)滑層處的熱狀態(tài)為等溫；

c. 氣體分子與密封表面牢固吸附，無(wú)相對(duì)滑移；

d. 忽略氣體的體積力和慣性力；

e. 在密封系統(tǒng)工作中，忽略系統(tǒng)振動(dòng)和擾動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響。

3.3 網(wǎng)格劃分

由于動(dòng)環(huán)端面為環(huán)形，螺旋槽在周向均布排列，因此潤(rùn)滑氣膜具有對(duì)稱性分布的特點(diǎn)，若槽數(shù)為n，則可抽取1/n潤(rùn)滑氣膜模型作為計(jì)算域，如圖5所示。 該模型為周期模型，端面氣膜厚度只有幾微米，而周向和徑向尺寸達(dá)到幾十毫米，同時(shí)，螺旋槽由對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，因此本次模型的網(wǎng)格劃分存在兩個(gè)難點(diǎn)： 其一是跨尺度網(wǎng)格劃分，需要在極薄氣膜厚度下保證網(wǎng)格質(zhì)量；其二是不規(guī)則模型帶來(lái)的復(fù)雜性，需考慮計(jì)算精度、抗畸變程度、網(wǎng)格數(shù)量、變形特性及再次劃分等多個(gè)因素。采用CFD的前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在軟件中重新建立模型， 并進(jìn)行周期邊界對(duì)應(yīng)，隨后進(jìn)行面網(wǎng)格劃分， 采用Tri類型和Pave結(jié)構(gòu)，體網(wǎng)格通過(guò)面網(wǎng)格進(jìn)行映射， 采用Hex類型和Cooper結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的計(jì)算域

圖6 網(wǎng)格劃分圖

3.4 計(jì)算模型和邊界條件

控制方程采用可壓縮完全氣體雷諾方程，在極坐標(biāo)情況下，表達(dá)式為：

層流固體壁面采用無(wú)滑移條件，近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間運(yùn)動(dòng)采用參考坐標(biāo)系法， 邊界條件施加示意圖如圖7所示。

圖7 邊界條件施加示意圖

3.5 計(jì)算方法

求解器選擇分離的隱式求解器，壓力差值格式為標(biāo)準(zhǔn)差值， 壓力速度耦合采用SIMPLE算法。擴(kuò)散項(xiàng)的離散格式采用中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)的離散格式采用二階迎風(fēng)格式。

4 結(jié)果討論與分析

4.1 壓力分布

根據(jù)端面結(jié)構(gòu)尺寸，將普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的計(jì)算域分別利用CFD進(jìn)行計(jì)算，選取壓力0.5 MPa和轉(zhuǎn)速3 000 r/min、 壓力0.5 MPa和轉(zhuǎn)速5 000 r/min作為低速開啟的工況條件，圖8為兩種槽型所獲得的壓力三維分布云圖。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的壓力三維云圖

觀察圖8a可以得知： 在該壓力和工況下，普通螺旋槽內(nèi)的壓力沒有增大，從動(dòng)環(huán)的外徑到內(nèi)徑處壓力變化呈較為規(guī)則的遞降規(guī)律，槽根部的壓力與動(dòng)環(huán)外徑入口壓力數(shù)值一致，因此槽根部壓力未升高，說(shuō)明普通螺旋槽在低速低壓情況下不能很好地獲得動(dòng)壓效應(yīng)，導(dǎo)致氣膜壓力上升緩慢，開啟力數(shù)值較低，并影響了動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的開啟速度； 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽從動(dòng)環(huán)的外徑到內(nèi)徑，壓力呈先增大后降低的趨勢(shì)，在槽根部區(qū)域能明顯看到壓力增大， 最高壓力達(dá)0.536 MPa，從而說(shuō)明階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在低速低壓下能更好地產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，使得動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面能更快打開， 降低了端面間的干摩擦和不穩(wěn)定磨損程度。由于階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在螺旋槽的底部存在一圓周的內(nèi)環(huán)， 同時(shí)內(nèi)環(huán)的深度小于螺旋槽深度，導(dǎo)致氣體在槽根部進(jìn)入內(nèi)環(huán)槽時(shí)發(fā)生了一次節(jié)流效應(yīng)，使根部壓力增大、流量下降，另外內(nèi)環(huán)槽可以事先儲(chǔ)備壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生更大的動(dòng)壓效果。 說(shuō)明階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽也具備流體靜壓能力。

觀察圖8b可以看到：兩種槽型都可以產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，這也證明了普通螺旋槽的動(dòng)壓效應(yīng)在低速下不如階梯形螺旋槽內(nèi)環(huán)槽，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至一定程度時(shí)普通螺旋槽才會(huì)起作用。 進(jìn)一步觀察圖8b可知，即使轉(zhuǎn)速上升，普通螺旋槽產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，但是階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的動(dòng)壓效應(yīng)也強(qiáng)于普通螺旋槽，最高壓力達(dá)0.625 MPa。

4.2 不同工況對(duì)開啟力的影響

普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在不同轉(zhuǎn)速和不同壓力下的開啟力如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速和不同壓力對(duì)開啟力的影響規(guī)律

從圖9中可以得知： 無(wú)論是低速階段還是高速階段，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的開啟力始終大于普通螺旋槽，說(shuō)明階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽可以在更短的時(shí)間內(nèi)保證動(dòng)環(huán)與靜環(huán)快速脫開，減少端面的磨損，同時(shí)槽型的動(dòng)壓效應(yīng)也優(yōu)于普通螺旋槽。 另外，從圖中的變化趨勢(shì)可以看到，開啟力隨壓力的增長(zhǎng)率要遠(yuǎn)大于隨轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)率，由此可以推斷，轉(zhuǎn)速對(duì)干氣密封的作用為局部加強(qiáng)；而壓力的增大，提高了動(dòng)環(huán)表面壓力分布，同時(shí)也會(huì)使槽底的壓力提升速率加快，從而進(jìn)一步加強(qiáng)整體開啟力。

4.3 不同工況對(duì)泄漏量的影響

普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在不同轉(zhuǎn)速和不同壓力下的泄漏量如圖10所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)速和不同壓力對(duì)泄漏量的影響規(guī)律

從圖10中可以得知：普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的泄漏量均隨轉(zhuǎn)速和壓力的升高而增大， 隨壓力的增大速率超過(guò)了隨轉(zhuǎn)速的增大速率。 進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的泄漏量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通螺旋槽，這是由于在氣膜厚度穩(wěn)定的情況下，開啟力的增大意味著氣膜剛度的提高，降低了氣體流量，即泄漏量；另一方面，由于階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽具有靜壓存儲(chǔ)功能和兩次臺(tái)階所形成的節(jié)流效應(yīng)， 進(jìn)一步耗散氣體的能量，導(dǎo)致泄漏量降低，也說(shuō)明了在低速低壓下，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的阻封能力好于普通螺旋槽。

5 結(jié)論

5.1 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的動(dòng)壓效應(yīng)也強(qiáng)于普通螺旋槽，最高壓力達(dá)0.625 MPa；階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的開啟力始終大于普通螺旋槽。

5.2 普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的泄漏量均隨轉(zhuǎn)速和壓力的升高而增大，隨壓力的增大速率超過(guò)了隨轉(zhuǎn)速的增大速率。

5.3 在低速低壓的開啟階段， 利用新型的階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽能保證動(dòng)靜環(huán)端面更快速地打開，降低磨損，提高壽命。