基于Polyflow的密煉機轉子端面螺旋槽密封模擬分析

劉彥昌，馬 沖*，于 芳，王 寧，王之林，鐘宜虎，王榮偉

（1．青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2．無錫錦和科技有限公司，江蘇 無錫 214191）

密煉機是橡膠工業中不可缺少的設備之一，主要功能是進行橡膠混煉。由于密煉機的轉子端部與密煉室側壁之間有軸向間隙和徑向間隙，因此生產過程中，膠料和配合劑會沿著這些間隙形成的通道而泄漏。為防止泄漏，在通常情況下，對轉子采用端部密封（見圖1），即采用由動環和靜環構成一對密封環結構。動環隨轉子一起旋轉，靜環不旋轉，但能夠在外力（如液壓力或彈簧力）作用下沿軸向進行小位移的往復移動，以調節密封環間隙。在理想情況下，向密封環間隙中注入潤滑油時會形成油膜，從而實現密封作用。

圖1 轉子端部密封原理示意Fig.1 Schematic diagram of rotor end sealing principle

目前，轉子密封形式主要有外壓式和內壓式。圖1所顯示的密封原理是外壓式的。根據在靜環上施加力的方式，外壓式密封有液壓撥叉式、彈簧撥叉式、彈簧直壓式和油缸直壓式密封。內壓式密封與外壓式密封的原理和結構基本相同，主要區別是密封環的比壓形成方式不同[1-4]。

現有轉子密封結構的共同特點是在泄漏通道末端進行密封。這種密封造成泄漏通道內存的物料量較多，引起物料浪費和混煉膠料配比變化，并且隨著工作時間的延長，不均勻的磨損和熱變形都會引起一定程度的泄漏[5-9]。

針對目前密煉機轉子泄漏和密封特點，有專利[10]將螺旋槽結構引入到軸向間隙處的轉子端面上，目的是降低進入泄漏通道入口的物料量，以杜絕或減少密煉機轉子泄漏。這一轉子端面螺旋槽密封可單獨應用，也可在不改變現有密封裝置的情況下組合使用，后者的實際意義更大。

本工作采用Polyflow軟件，模擬分析密煉機轉子端面螺旋槽內流體的速度和壓力分布，以進一步確定端面螺旋槽對轉子密封能力的影響，從而為今后的密煉機研究和生產提供一定的依據。

1 轉子端面螺旋槽的密封原理

轉子端面螺旋槽密封結構是在轉子的端面上開設若干個螺旋槽，如圖2所示，其中，v為螺旋槽中某一點的轉速，v＝2πrN（r是該點的半徑，N是轉子轉速），v產生的分量分別為vz和vx，間隙δ為螺旋槽底面到側壁之間的距離，間隙δ1為轉子端面到側壁之間的距離。

圖2 轉子端面螺旋槽密封結構Fig.2 Seal structure of spiral groove on rotor end face

在轉子端面螺旋槽與密煉室側壁之間的間隙中，轉子旋轉運動引起順螺旋槽方向的速度分量vz。在理想情況下（例如在δ1很小時），當由vz產生的向δ1間隙外拖曳流體流率不小于由密煉室內壓引起的向δ1間隙內壓入流體流率時，能夠實現轉子完全密封。

實現轉子端面螺旋槽旋轉密封必須滿足如下兩個基本條件。

（1）螺旋槽的開口方向必須與轉子旋轉方向相反。

（2）螺旋槽的布置至少首尾相連。如果在螺旋槽的首尾之間有間隔，必定存在徑向壓力梯度引起的流動，在軸向間隙處造成泄漏。

2 轉子端面模型的建立

2.1 幾何模型

以1.5 L剪切型實驗密煉機為例，轉子端面螺旋槽的幾何參數如圖3所示。

圖3 轉子端面螺旋槽幾何參數示意Fig.3 Geometry parameters of spiral groove on rotor end face

設計的轉子端面螺旋槽的幾何參數初始值如下：螺旋槽寬度（w） 13 mm，非槽區寬度（b） 12 mm，螺旋槽深度（h） 2 mm，螺槽底半徑（l） 43 mm，螺旋角（α） 25°，轉角（θ） 18.53°，螺旋槽數量 17。

根據參數值繪制相應的轉子端面螺旋槽的三維模型和流體域模型[11]，如圖4所示。

圖4 轉子端面螺旋槽的三維模型和流體域模型Fig.4 Three dimensional model and fluid domain model of spiral groove on rotor end face

2.2 本構方程和參數

選取Bird-Carreau模型作為本構模型[12]：

式中：η∞為熔體的無窮大剪切粘度，默認值為零；η0為熔體的零剪切粘度；λ為熔體的特征時間；γ˙為熔體的剪切速率；n為非牛頓指數。

混煉膠的物性參數為：密度 1．066 Mg·m-3，η010 000 Pa·s，η∞0，λ0.4 s，n0.25。

2.3 邊界條件設置

假設膠料熔體與密煉室側壁和轉子端面沒有相對滑移，設置邊界條件如圖5所示。

圖5 轉子端面邊界條件示意Fig.5 Boundary conditions of rotor end face

（1）壁面邊界條件：法向速度和切向速度均為零。

（2）轉子端邊界條件：法向速度和切向速度均為零。

（3）外徑邊界條件：外徑作為膠料泄漏的入口，其邊界施加一定的壓力。

（4）內徑邊界條件：與轉子相同的轉速。

3 結果與討論

當1.5 L密煉機工作時，密煉室對膠料的壓力為0.6 MPa，因此將流體域外徑處的壓力設定為0.6 MPa，轉子轉速為60 r·min-1。轉子端面螺旋槽內流體的速度矢量分布云圖如圖6所示。

圖6 轉子端面螺旋槽內流體的速度分布矢量云圖Fig.6 Velocity vector distribution nephograms of fluid in spiral groove on rotor end face

從圖6可以看出，螺旋槽內流體的速度方向在靠近出口的位置發生了改變，直至從出口流出，且在出口處速度最大，這是由于越靠近螺旋槽出口，旋轉線速度越大，產生的速度分量vz也就越大。

間隙δ1內流體的速度矢量分布云圖如圖7所示。

圖7 間隙δ1內流體的速度矢量分布云圖Fig.7 Velocity vector distribution nephograms of fluid in gap δ1

從圖7可以看出，間隙δ1內流體的速度分布與螺旋槽內流體大致相同，同時其附近的流體也產生了向外的速度分量，且數值較大，說明螺旋槽內流體對間隙δ1內流體產生了拖曳作用，使間隙δ1內流體產生向外的速度分量，直至從出口流出。

轉子端面螺旋槽內流體的壓力分布云圖如圖8所示。

圖8 轉子端面螺旋槽內流體的壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution nephograms of fluid in spiral groove on rotor end face

從圖8可以看出，密封壓力的整體變化趨勢為沿螺旋槽向外逐漸減小，呈線性變化。螺旋槽的開口處和根部的壓力差較大，說明螺旋槽對流體產生較強的泵送作用，起到了對轉子端面的密封作用；另外，壓力沿螺旋槽逐漸變化，說明螺旋槽的長度對密封作用有重要影響。

間隙δ1內流體的壓力分布云圖如圖9所示。

圖9 間隙δ1內流體的壓力分布云圖Fig.9 Pressure distribution nephograms of fluid in gap δ1

從圖9可以看出，靠近螺旋槽根部的流體壓力較大，說明螺旋槽的泵送作用對間隙δ1內流體產生較大影響，使間隙δ1內流體向外沿徑向方向有一定的壓力差，起到了一定的泵送作用。

轉子轉速分別為60，70，80，90和100 r·min-1時轉子端面螺旋槽內流體的整體速度分布云圖如圖10所示。

圖10 不同轉子轉速下轉子端面螺旋槽內流體的整體速度分布云圖Fig.10 Overall velocity distribution nephograms of fluid in spiral groove on rotor end face at different rotor speeds

從圖10可以看出，在不同轉子轉速下螺旋槽內流體的速度變化趨勢基本相同。

不同轉子轉速下轉子端面螺旋槽內流體的泵送速度如圖11所示。

圖11 不同轉子轉速下轉子端面螺旋槽內流體的泵送速度Fig.11 Pumping velocity of fluid in spiral groove on rotor end face at different rotor speeds

從圖11可以看出，隨著轉子轉速的增大，螺旋槽內流體的速度增大，從而單位時間內螺旋槽的泵送流量增大，因此轉子端部的密封能力得到增強。

另外，隨著轉子轉速的增大，流體速度的變化量呈減小趨勢，泵送速度與轉子轉速為非線性關系，這是因為膠料熔體存在剪切變稀行為。

4 結論

采用Ployflow軟件對密煉機轉子端面螺旋槽的密封效果進行模擬分析，獲得了在不同轉子轉速下轉子端面螺旋槽內流體的速度和壓力分布，得到如下結論。

（1）轉子端面螺旋槽對膠料有較好的泵送能力，產生良好的密封作用。

（2）在一定范圍內，轉子轉速越高，轉子端面螺旋槽的泵送能力越強，轉子密封效果越好。

本工作對研究密煉機轉子端面密封具有一定的參考價值。