新型螺旋槽干氣密封流固耦合分析*

張偉政 趙吉軍 張獻中 張琦璇

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

干氣密封作為密封裝置的典型代表被應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，其具有泄漏量低、損耗小、可靠性高等優(yōu)點[1]。與傳統(tǒng)機械密封相比，干氣密封動、靜環(huán)之間非接觸，且根據(jù)實際需要在動環(huán)上雕刻出不同形狀的溝槽或織構(gòu)用以增強其動壓效應(yīng)，常見的槽型有螺旋槽、T形槽和圓形槽等。干氣密封在運行過程中，動環(huán)跟隨軸體轉(zhuǎn)動，且其上面的微米級淺槽分布具有一定的規(guī)律性和周期性。當(dāng)密封氣體進入密封間隙后，因其黏度較小而壓力較大，使兩密封端面分開，同時會在密封端面間形成微米級氣膜，實現(xiàn)非接觸式密封[1]；另外氣膜有效地防止了密封介質(zhì)的泄漏，同時又在隔熱與潤滑方面起到了重要的作用。近年來，隨著社會的發(fā)展與科技的進步，工業(yè)生產(chǎn)對密封技術(shù)的要求不斷提高，國內(nèi)外學(xué)者也對此進行了更為深入的研究[2]。針對螺旋槽干氣密封的研究，多采用有限元數(shù)值模擬[2]與實驗的方法。通過對其流場與流固耦合的分析，可以研究固體形變與流體之間的相互作用影響，從而指導(dǎo)干氣密封槽型的設(shè)計與優(yōu)化。隨著ANSYS軟件的不斷發(fā)展與完善，流固耦合的計算與研究也取得了很大的進步，并且流固耦合在工程領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸廣泛起來。流固耦合的研究計算不但能節(jié)約大量的時間，還能夠更加貼近真實工況。早在20世紀(jì)80年代，ETSION[3-4]就對機械密封展開研究，為后續(xù)干氣密封的研究做好了充足的準(zhǔn)備；SEDY[5]首次陳述了提升干氣密封性能的方法；BONNEAU等[6]對槽型氣體推力軸承及槽型氣體密封進行了有限元分析；TOUMERIE等[7]探究了螺旋槽幾何機構(gòu)對其密封性能的影響；文獻[8-10]對螺旋槽干氣密封的流場進行了分析。2010年，丁雪興課題組利用Fluent流體計算軟件，針對不同膜厚的螺旋槽干氣密封流場進行模擬計算，得到流場壓力分布情況，并對螺旋槽干氣密封的槽深與螺旋角2個幾何參數(shù)提出了優(yōu)化方案[11-14]。鄧成香[15]基于ANSYS Workbench軟件對螺旋槽干氣密封流固耦合進行了計算研究。2017年，陳洋洋等[16-17]利用ANSYS軟件，對螺旋槽干氣密封進行了雙向流固耦合計算，并討論了在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下螺旋槽干氣密封在雙向流固耦合下的密封環(huán)應(yīng)力應(yīng)變情況。2018年，陳文奇等[18]對雙螺旋角槽干氣密封的槽型進行了優(yōu)化設(shè)計。2020年，左松奇等[19]對一種新型組合槽型的密封特性進行了研究。

通過對傳統(tǒng)螺旋槽的流場進行數(shù)值模擬可知，在其背風(fēng)口處有一處明顯的低壓區(qū)，這是由于在螺旋槽的背面產(chǎn)生了一定程度上的氣體分離，為提高傳統(tǒng)螺旋槽的密封性能，本文作者提出一種新型螺旋槽結(jié)構(gòu),利用ANSYS等相關(guān)軟件建立了新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的密封環(huán)模型，在相同工況條件下對其進行了受力分析及選材后對兩槽型密封端面進行流固耦合計算，比較分析了2種槽型密封環(huán)的應(yīng)力、變形差異。

1 新型螺旋槽密封端面結(jié)構(gòu)

為提高傳統(tǒng)螺旋槽的密封性能，對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。在傳統(tǒng)螺旋槽的背風(fēng)口處，并列了一個相對較短螺旋槽，且2個并列螺旋槽的槽深相等，使其成為一個長螺旋槽，兩槽的槽深均為微米級別。建立的新型螺旋槽的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型螺旋槽干氣密封動環(huán)結(jié)構(gòu)

2 流固耦合基本方程

2.1 流體控制方程

流體在流場中的流動遵循基本的物理學(xué)定義(質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律)。

(1)連續(xù)性方程

質(zhì)量守恒方程就是連續(xù)性方程，所有流體在流場中流動均要遵循質(zhì)量守恒定律，該方程的微分形式為

(1)

式中:ux、uy、uz分別表示在坐標(biāo)軸3個方向上的分量，m/s;t為時間;ρ為密度。

引入哈密頓算子：

(2)

則可將式(1)表示為

(3)

連續(xù)性方程在圓柱坐標(biāo)系中可表示為

(4)

(5)

當(dāng)流體為不可壓縮流體時，有：

(6)

在圓柱坐標(biāo)下的表示形式為

(7)

(2)動量守恒方程

動量守恒方程遵循牛頓第二定律，根據(jù)牛頓第二定律，可得x、y、z方向上的動量方程為

(8)

(9)

(10)

式中：p為流體中微團體上的壓力，Pa；τxx、τxy、τxz指分子在黏性的作用下在微單元表面上產(chǎn)生的應(yīng)力τ的分量，Pa；fx、fy、fz分別表示x、y、z方向上的質(zhì)量力，m/s2。

(3)能量守恒方程

根據(jù)能量守恒定律，進入微單元熱流量與質(zhì)量力和表面力對其所作的功等于微單元內(nèi)能量的增加量。表達式為

(11)

式中:E為微單元的總能量，J/kg，總能量包括內(nèi)能、動能以及勢能，表示為

(12)

h為焓，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff表示其有效熱的傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；Jj為組分j的擴散通量；Sh表示了化學(xué)反應(yīng)中的熱。

2.2 固體控制方程

由于流場的作用引起固體的振動或位移，即固體的控制方程為

(13)

式中:Ms為質(zhì)量矩陣；Cs為阻尼矩陣；Ks為剛度矩陣；ds為固體的位移，mm;τs為固體所受應(yīng)力，MPa。

2.3 耦合控制方程

在分析計算流固耦合問題時，耦合交界面的固體與流體同樣需滿足相關(guān)的物理學(xué)守恒定律：

τf·nf=τs·ns

(14)

df=ds

(15)

式中：τf與τs分別對應(yīng)的是流體應(yīng)力和固體應(yīng)力，MPa；df與ds分別對應(yīng)的是流體位移與固體位移，mm。

3 密封環(huán)模型建立及網(wǎng)格劃分

3.1 密封環(huán)模型的建立

密封環(huán)在不同的操作環(huán)境(壓力、轉(zhuǎn)速)下運行，由于流場的作用，導(dǎo)致密封環(huán)在運行過程中，其端面會有不同程度的形變，這將對干氣密封的性能以及壽命產(chǎn)生極大影響。由于干氣密封的密封環(huán)具有自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)功能，只要作用力達到平衡，它就可以恢復(fù)到一個新的平衡操作間隙。由此可見，密封環(huán)之間的平行對于減少環(huán)之間的接觸非常重要。

如圖2所示，文中利用SolidWorks建模軟件針對干氣密封密封動環(huán)建立幾何模型。

圖2 2種槽型動環(huán)模型

3.2 密封環(huán)的網(wǎng)格劃分

通常情況下，干氣密封的密封槽是刻在動環(huán)上的，利用SolidWorks建模軟件對新型螺旋槽干氣密封建立三維模型。因為干氣密封氣膜成圓周形分布，且結(jié)構(gòu)是中心對稱結(jié)構(gòu)，為了減少計算機的計算量，故而取整個氣膜模型的1/Ng作為計算區(qū)域(Ng為密封端面新型螺旋槽的個數(shù))。圖3所示為所建立的新型螺旋槽氣膜模型。螺旋槽氣膜均是微米級的，文中為了方便觀察，將其軸向放大1 000倍。

圖3 新型螺旋槽1/12端面結(jié)構(gòu)

將SolidWorks建模軟件建好的模型導(dǎo)入ICEM中進行網(wǎng)格劃分，干氣密封端面氣膜半徑尺寸為毫米級別，而其氣膜厚度與開槽深度均為微米級別，兩者存在數(shù)量級差異。在網(wǎng)格劃分過程中，這種跨尺度的網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的一個難點。在ICEM中對干氣密封氣膜沿軸向放大1 000倍后進行網(wǎng)格劃分，在導(dǎo)入Fluent軟件進行計算時，用Scale模塊再將劃分好的網(wǎng)格沿軸向縮小1 000倍即可解決跨尺度劃分網(wǎng)格的問題。

采用增加網(wǎng)格密度與沿厚度方向網(wǎng)格的方法來驗證網(wǎng)格獨立性。網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置的合理對于模擬計算的精度及計算速度至關(guān)重要。以螺旋槽干氣密封氣膜厚度3 μm、槽深5 μm、槽數(shù)12、螺旋角15°、內(nèi)徑58.42 mm、外徑77.78 mm、槽根半徑9 mm、轉(zhuǎn)速10 000 r/min、入口壓力1 MPa、出口壓力0.1 MPa為例，選取網(wǎng)格數(shù)量為5萬～30萬進行計算。網(wǎng)格數(shù)量對開啟力變化的影響如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達到135 640的時候，其開啟力數(shù)值趨于穩(wěn)定。據(jù)此認為：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達到135 640的時候滿足網(wǎng)格無關(guān)性。新型螺旋槽的網(wǎng)格無關(guān)性檢驗與此相同。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

3.3 邊界條件的設(shè)置

新型螺旋槽1/Ng氣膜邊界條件的設(shè)置如圖5所示。由于干氣密封的流場結(jié)構(gòu)是中心對稱的，每個計算區(qū)域的流動具有相同性，則壓力周期性邊界條件為：p(θ+2π/12)=p(θ)，在ICEM中對計算區(qū)域進行劃分并定義part和設(shè)置周期性邊界條件，其中A1、A2、B1、B2為圓周的周期性邊界。Top surface 為新型螺旋槽的旋轉(zhuǎn)壁面，Bottom surface為新型螺旋槽的靜止壁面，Pressure-inlet為新型螺旋槽的壓力入口，Pressure-outlet為其壓力出口。采用單旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)干氣密封的動、靜環(huán)之間的相對運動。且動、靜環(huán)采用溫降邊界條件，其旋轉(zhuǎn)速度為10 000～30 000 r/min，密封介質(zhì)采用空氣。

圖5 新型螺旋槽邊界條件示意

3.4 求解方法

將ICEM中劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Fluent中進行流體域求解，選擇Laminar(層流模型)，并調(diào)用能量方程，算法采用SIMPLEC，密封介質(zhì)為空氣，選用理想氣體模型。對擴散項采用中心差分法進行離散，對壓力插值采用二階迎風(fēng)格式。將迭代精度設(shè)為1×10-5。將能量方程的迭代精度設(shè)為1×10-6。

4 密封環(huán)的受力分析與材料選擇

4.1 流體進入干氣密封環(huán)模型

在計算干氣密封流固耦合流場時，流體分別按照速度與壓力2種方式流入流場。按速度方式進入：表示為在動環(huán)的流體入口處設(shè)置關(guān)于速度的邊界條件；按壓力進入：是在動環(huán)的流體入口處設(shè)置關(guān)于壓力的邊界條件。如圖6所示，為流體進入螺旋槽干氣密封動環(huán)時壓力邊界條件與動靜環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 流體進入螺旋槽動靜環(huán)示意

4.2 干氣密封密封環(huán)的受力分布

當(dāng)干氣密封啟動且達到穩(wěn)定時，動靜環(huán)之間的受力需達到平衡。密封環(huán)之間的受力平衡是干氣密封穩(wěn)定運行的重要前提與保證。如圖7所示，為干氣密封密封環(huán)的受力模型。

圖7 動靜環(huán)受力示意

4.3 密封環(huán)材料選擇與受力后可能發(fā)生形變的位置

當(dāng)干氣密封在極端的工況下運行時，密封環(huán)由于摩擦碰撞或者受力不均等原因會發(fā)生不同程度上的變形，密封環(huán)發(fā)生形變的程度與其材料的選擇和各個地方受到的載荷均有關(guān)系。文中選用碳化鎢(WC)作為干氣密封動靜環(huán)的材料來研究螺旋槽干氣密封與新型螺旋槽干氣密封的密封環(huán)在工作中的應(yīng)力應(yīng)變情況。圖8與圖9所示分別為干氣密封動、靜環(huán)可能發(fā)生形變的位置。

圖8 動環(huán)發(fā)生形變的4種位置

圖9 靜環(huán)可能發(fā)生形變的4種位置

在極端工況下干氣密封運轉(zhuǎn)時，密封環(huán)材料選擇“硬碰硬”的密封模式會使其具有更良好的穩(wěn)定性。故選取干氣密封動靜環(huán)材料均為碳化鎢(WC)，其材料的物理參數(shù)如表1所示。

表1 2種干氣密封槽型密封環(huán)材料參數(shù)

5 干氣密封流固耦合過程

由于干氣密封的結(jié)構(gòu)相對簡單，使用單向流固耦合計算足以對密封環(huán)在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生的形變進行計算。文中在Workbench平臺對其進行計算分析時，首先調(diào)入Fluid flow(Fluent)流場分析計算模塊與Static-Structural結(jié)構(gòu)場分析計算模塊。并在Fluid flow(Fluent)模塊中導(dǎo)入之前計算好的date & case(流場計算數(shù)據(jù))文件。之后將流場模塊與結(jié)構(gòu)場模塊進行耦合。將Fluid flow模塊中的Solution選項拖動至Static-Structural模塊中的set up選項當(dāng)中。以上操作就完成了干氣密封單向流固耦合的信息傳導(dǎo)。然后將干氣密封密封環(huán)模型保存為X-T格式并導(dǎo)入至Static-Structural模塊中的Geometry當(dāng)中，并在model中對干氣密封的動靜環(huán)進行網(wǎng)格劃分。并按照實際工況對干氣密封的動靜環(huán)施加相應(yīng)的約束條件與載荷。之后再在Solve中對其進行求解計算。圖10與圖11分別表示為干氣密封流固耦合信息傳導(dǎo)過程與干氣密封密封環(huán)流場壓力加載示意圖。

圖10 流固耦合信息傳導(dǎo)過程示意

圖11 密封環(huán)流場壓力加載示意

5.1 流固耦合下密封環(huán)應(yīng)力分析

在流場的計算中，取入口壓力為1 MPa、出口壓力為0.1 MPa、轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、入口溫度為303.15 K、氣膜厚度為3 μm、槽數(shù)為12、螺旋角為15°的螺旋槽干氣密封所形成的氣膜壓力對密封環(huán)的影響進行計算。

5.1.1 干氣密封動環(huán)流固耦合應(yīng)力分析

圖12 2種槽型動環(huán)應(yīng)力分布

5.1.2 干氣密封靜環(huán)流固耦合應(yīng)力分析

在干氣密封運行過程中，靜環(huán)是始終保持靜止不動的。在分析其流固耦合的過程中，靜環(huán)不會因為旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生更多的應(yīng)力，靜環(huán)只受流場耦合時對其產(chǎn)生的作用與影響。如圖13所示。

由圖13可知，當(dāng)2種槽型的材料與工況相同時，新型螺旋槽的整體靜環(huán)應(yīng)力值要大于傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)的應(yīng)力值；傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封的靜環(huán)軸向氣膜所產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為1.18 MPa,新型螺旋槽干氣密封靜環(huán)軸向氣膜所產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為1.28 MPa。這是因為新型螺旋槽的氣膜所產(chǎn)生的氣膜力在靜環(huán)表面上分布相比傳統(tǒng)螺旋槽較大，使得在單位面積內(nèi)靜環(huán)所受到的壓力也較大，故導(dǎo)致新型螺旋槽靜環(huán)應(yīng)力比傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)應(yīng)力大。

圖13 2種槽型靜環(huán)應(yīng)力分布

5.1.3 轉(zhuǎn)速對干氣密封環(huán)流固耦合應(yīng)力的影響

圖14所示為在不同轉(zhuǎn)速下新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的動靜環(huán)應(yīng)力分布。

圖14 轉(zhuǎn)速對2種槽型動靜環(huán)最大應(yīng)力的影響

由圖14可知，干氣密封動、靜環(huán)所產(chǎn)生的應(yīng)力值隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，且新型螺旋槽的動靜環(huán)應(yīng)力值始終大于傳統(tǒng)螺旋槽動靜環(huán)應(yīng)力值。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，兩槽型壓力差值也在不斷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速在10 000 r/min時，兩者動環(huán)應(yīng)力差為0.07 MPa，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到25 000 r/min時，兩者動環(huán)應(yīng)力差值為0.2 MPa；導(dǎo)致兩者存在差異的原因可能有：(1)隨著轉(zhuǎn)速的增加，干氣密封的渦動與離心效應(yīng)得到了增強；(2)由于新型螺旋槽槽型的原因，使得其應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)致新型螺旋槽的應(yīng)力始終大于傳統(tǒng)螺旋槽。新型螺旋槽的靜環(huán)雖然為靜止不動的部件，但是由于動環(huán)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣膜壓力，最大氣膜壓力與最大應(yīng)力呈擬線性關(guān)系，故使得新型螺旋槽靜環(huán)表面的應(yīng)力也始終大于傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)。

5.1.4 入口壓力對干氣密封環(huán)流固耦合應(yīng)力的影響

圖15所示為在不同入口壓力下新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的動靜環(huán)應(yīng)力分布?？芍?，隨著入口壓力的增大，2種槽型的動、靜環(huán)應(yīng)力值均增大。當(dāng)入口壓力為1.25 MPa,出口壓力為0.1 MPa時，傳統(tǒng)螺旋槽動環(huán)的表面應(yīng)力為1.45 MPa，靜環(huán)的表面應(yīng)力為1.39 MPa;新型螺旋槽動環(huán)的表面應(yīng)力為1.54 MPa，靜環(huán)的表面應(yīng)力為1.5 MPa。當(dāng)出口壓力保持不變，入口壓力增大至2.75 MPa時，傳統(tǒng)螺旋槽動環(huán)表面應(yīng)力為2.85 MPa，靜環(huán)表面應(yīng)力為2.61 MPa;新型螺旋槽動環(huán)的表面應(yīng)力為3 MPa，靜環(huán)的表面應(yīng)力為2.74 MPa。與轉(zhuǎn)速影響趨勢相似，隨著入口壓力的增加，2種槽型的動、靜環(huán)表面應(yīng)力均增大，且新型螺旋槽的應(yīng)力始終大于傳統(tǒng)螺旋槽，并且動環(huán)上的應(yīng)力始終大于靜環(huán)，這是由于干氣密封在運轉(zhuǎn)時，動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了更多的盈余應(yīng)力。

圖15 入口壓力對2種槽型動靜環(huán)最大應(yīng)力的影響

5.2 流固耦合下干氣密封變形分析

在干氣密封的流場分析中，仍取入口壓力為1 MPa，出口壓力為0.1 MPa，轉(zhuǎn)速設(shè)為10 000 r/min，入口溫度為303.15 K，螺旋槽槽數(shù)為12，螺旋角為15°，氣膜厚度為3 μm，槽深為5 μm，來探究流固耦合下干氣密封環(huán)變形情況。

5.2.1 干氣密封動環(huán)流固耦合變形分析

圖16所示為干氣密封動環(huán)流固耦合變形分布。

圖16 2種槽型動環(huán)最大變形分布

由圖16可知，新型螺旋槽動環(huán)的變形量大于傳統(tǒng)螺旋槽動環(huán)的變形量,并且2種槽型發(fā)生變形最大的部位均在槽根處。這是因為干氣密封在運行過程中，槽根部所形成的氣膜壓力最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。傳統(tǒng)螺旋槽動環(huán)的最大變形量約為0.216 μm，新型螺旋槽動環(huán)的最大變形量約為0.232 μm。這是由于新型螺旋槽槽根部相比傳統(tǒng)螺旋槽具有較好的動壓效應(yīng)，產(chǎn)生了更大的氣膜力，故使得新型螺旋槽動環(huán)的變形量大于傳統(tǒng)螺旋槽。但總體來看，2種槽型的動環(huán)變形量不大，均在允許變形范圍內(nèi)。

5.2.2 干氣密封靜環(huán)流固耦合變形分析

圖17所示為2種槽型干氣密封靜環(huán)的流固耦合變形云圖。

圖17 2種槽型靜環(huán)最大變形分布

由圖17可知，傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)的變形量約為0.214 μm，新型螺旋槽靜環(huán)的變形量約為0.231 μm，相比圖16所示的動環(huán)變形量，在該工況下，傳統(tǒng)螺旋槽與新型螺旋槽的動靜環(huán)變形量差別甚微，動環(huán)變形略大于靜環(huán)變形。這是由于在干氣密封運轉(zhuǎn)過程中，靜環(huán)保持不變，動環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更大的氣膜力使其發(fā)生變形。

5.2.3 轉(zhuǎn)速對干氣密封環(huán)流固耦合變形的影響

圖18所示為不同轉(zhuǎn)速下對干氣密封動、靜環(huán)變形的影響。

圖18 不同轉(zhuǎn)速對2種槽型動靜環(huán)最大變形的影響

由圖18可知，無論是哪種槽型，隨著轉(zhuǎn)速的增加，動、靜環(huán)的變形量均增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時，傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.214 μm，動環(huán)變形量約為0.216 μm;新型螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.231 μm，動環(huán)變形量約為0.232 μm。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至25 000 r/min時，傳統(tǒng)螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.3 μm，動環(huán)變形量約為0.34 μm;而新型螺旋槽靜環(huán)變形量約為0.32 μm，動環(huán)變形量約為0.36 μm。在23 000 r/min后，兩槽的動環(huán)變形量急劇增大，說明密封環(huán)的變形對于高轉(zhuǎn)速較為敏感。而2種槽型的動、靜環(huán)的變形量均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，這也同時印證了應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加的趨勢,從而說明了干氣密封動靜環(huán)的變形也是由于流場中的應(yīng)力所致。綜合分析得知，新型螺旋槽的動靜環(huán)變形量始終大于傳統(tǒng)螺旋槽,這是由于新型螺旋槽槽根部具有較強的動壓效應(yīng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，無論是傳統(tǒng)螺旋槽還是新型螺旋槽，動環(huán)的變形量始終大于靜環(huán)的變形量。

5.2.4 入口壓力對干氣密封環(huán)流固耦合變形的影響

圖19所示為2種干氣密封槽型動、靜環(huán)變形隨著入口壓力的變化曲線?？芍?，2種槽型的動、靜環(huán)的變形量均隨著入口壓力的增加而增大，并且變化趨勢與應(yīng)力隨著入口壓力的變化趨勢相似。當(dāng)入口壓力為1.25 MPa時，傳統(tǒng)螺旋槽的動環(huán)變形量約為0.255 μm，靜環(huán)變形量約為0.253 μm;新型螺旋槽動環(huán)變形量約為0.275 μm，靜環(huán)變形量約為0.272 μm。當(dāng)入口壓力增大至2.75 MPa時，傳統(tǒng)螺旋槽動環(huán)變形量約為0.5 μm，靜環(huán)變形量約為0.48 μm;新型螺旋槽的動環(huán)變形量約為0.55 μm，靜環(huán)形變量約為0.49 μm。

圖19 不同入口壓力對2種槽動靜環(huán)最大變形量的影響

通過對比圖18中不同轉(zhuǎn)速對干氣密封環(huán)變形的影響可知：入口壓力的改變對2種槽型的動靜環(huán)產(chǎn)生的影響更大，隨著入口壓力的增大，2種槽型的動靜環(huán)變形均增大，但動環(huán)的變形量始終大于靜環(huán)，而新型螺旋槽動靜環(huán)的變形量也是略大于傳統(tǒng)螺旋槽。

文中2種槽型干氣密封動、靜環(huán)的流固耦合應(yīng)力和形變分析結(jié)果,與文獻[16-17，19]的結(jié)果基本一致，驗證了文中建立的模型和分析結(jié)果的正確性。

6 結(jié)論

提出一種新型螺旋槽結(jié)構(gòu),利用ANSYS等相關(guān)軟件建立新型螺旋槽與傳統(tǒng)螺旋槽的密封環(huán)模型，在不同轉(zhuǎn)速和入口壓力下比較分析了2種槽型密封環(huán)的應(yīng)力、變形差異。主要結(jié)論如下：

(1)提出一種新型螺旋槽結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)螺旋槽的對比研究表明，隨著轉(zhuǎn)速與入口壓力的增加，傳統(tǒng)螺旋槽與新型螺旋槽的動、靜環(huán)最大應(yīng)力均呈上升趨勢，且2種槽型動環(huán)的最大應(yīng)力均位于槽根處，動環(huán)的應(yīng)力始終大于靜環(huán)的應(yīng)力，新型螺旋槽的應(yīng)力始終大于傳統(tǒng)螺旋槽的應(yīng)力。

(2)隨著轉(zhuǎn)速與入口壓力的增加，傳統(tǒng)螺旋槽與新型螺旋槽動、靜環(huán)的最大變形均呈增大趨勢，且2種槽型動環(huán)的最大變形均位于槽根處，動環(huán)的變形量始終大于靜環(huán)的變形量，新型螺旋槽的變形始終大于傳統(tǒng)螺旋槽的變形。

(3)研究表明，新型螺旋槽的開啟力、泄漏量及剛度等干氣密封性能均優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槽。