軸向迷宮密封性能的流固耦合分析*

2022-01-25 03:41:46湯赫男王世杰

潤滑與密封 2022年1期

董振魏來湯赫男王世杰

(沈陽工業大學機械工程學院遼寧沈陽 110870)

迷宮密封具有結構簡單、無摩擦、功耗小、使用壽命長、不需潤滑和維修方便等眾多優點，在旋轉式機械中得到廣泛應用。迷宮密封不受旋轉速度和溫度的限制，摩擦功耗極小，增加篦齒數目可密封較高壓力的氣體，多用于透平壓縮機和燃氣輪機等主軸的密封，還被應用于航海航空等領域[1-5]。迷宮密封用于軸向密封較少，其中主要應用之一為用于往復式壓縮機的活塞與氣缸間的密封。往復式壓縮機以前通常采用活塞環進行密封，而采用活塞環進行密封，不可避免地會將潤滑油與壓縮流體一起被送出，因而不能保證氣缸內足夠的潤滑而影響其使用壽命[6-11]。因此，國內外開始將迷宮密封技術引入到壓縮機中。

迷宮密封結構直接影響著迷宮密封性能，為了研究迷宮密封的泄漏量,學者們提出了很多的計算方法。王琛[12]研究了各種齒形角對迷宮密封泄漏量的影響并提出了優化方案。李志剛等[13]運用三維RANS方程研究了密封間隙、壓比及轉速對迷宮密封性能的影響。賈文聰等[14]運用Design-expert8.0軟件研究了密封間隙及齒數、齒形角度及空腔深度對迷宮密封泄漏量的影響。巴鵬等人[15]運用Fluent模擬與試驗對比，研究了空腔形狀、數量、間隔及密封間隙對迷宮密封的影響規律。

現有迷宮密封研究主要針對旋轉密封，而對軸向迷宮密封的密封機制及結構參數設計的研究甚少，以往軸向迷宮密封設計時多借鑒旋轉迷宮密封的研究方法。對于旋轉和軸向往復方向的密封，其內部流體變化形式存在較大區別，因此對軸向迷宮密封性能進行數值模擬和試驗研究是十分必要的。

本文作者對某迷宮壓縮機的活塞氣缸部位的軸向迷宮密封進行流固耦合分析，探討軸向迷宮密封的密封效果，并通過試驗測試對軸向迷宮密封性能進行驗證。

1 迷宮密封模型的建立

1.1 迷宮密封結構參數

以某迷宮壓縮機活塞氣缸部位的軸向迷宮密封為案例，如圖1所示，活塞與氣缸間的齒形近似螺紋牙型，通過活塞桿的支承保證氣缸與活塞之間存在一定間隙。密封各部分結構參數及具體幾何參數值如圖1和表1所示。

圖1 迷宮密封結構尺寸參數

表1 迷宮密封幾何參數值

1.2 迷宮密封模型與網格劃分

建立活塞與氣缸間迷宮密封的三維幾何模型，如圖2所示。其中活塞與氣缸為固體域，兩者之間的迷宮密封為流體域，采用流固雙向耦合進行建模。將活塞氣缸迷宮密封模型導入到ANSYS Workbench的Fluid Flow模塊中。

圖2 迷宮密封模型

使用ANSYS Meshing模塊對物理模型進行合理網格劃分，選擇合適的網格類型及網格劃分方法是模擬成功的一個重要環節。為保證計算精度和減少計算工作量文中采用六邊形為主的網格換分方法，最大網格尺寸控制在0.2 mm以內。網格數量控制在20 000～120 000之間，如圖3所示。

圖3 迷宮密封模型網格劃分

1.3 邊界條件

壓縮機迷宮密封內泄漏流體的流動滿足質量守恒方程、動能守恒方程和能量守恒方程。設置模型X軸負方向為壓力入口，反方向設置為壓力出口，壓差設定為壓縮機實際壓差500 kPa。當氣流狀態達到平衡時，流體在活塞與氣缸空腔中的流動狀態可以近似為二維穩態湍流流動。模擬仿真采用黏性、不可壓縮流體動能守恒的運動方程、N-S方程及標準的k-ε模型，結合能量守恒、質量守恒、動量守恒方程可得：

(1)

連續方程中取

φ=1,Γφ=0,qφ=0,φ=u,Γφ=Ueff

選取標準k-ε湍流模型,湍流動能方程為

(2)

選取標準壁面函數模型,湍流耗散率方程為

(3)

湍流動能生成項為

(4)

選取有效黏性系數為

Ueff=U1+Ut,Ut=Cμρk2/ε

式中:ρ為密度；v為速度；μ為動力黏度；t為時間；C1、C2、Ck取值分別為1.44、1.92、1.0。

2 仿真結果及分析

2.1 壓力與形變

通過模擬分析，得到迷宮密封流體域內壓力云圖(見圖4)及流固耦合下的變形量(見圖5)。從圖4可以看到，流體在進入第一個空腔內部時產生最大壓力值，且位于活塞齒形底部。流體由高壓端通過間隙節流點依次進入膨脹腔，在膨脹腔中流體部分壓力能轉變為內部流體湍動能，壓力能逐級迅速降低。如圖5所示，迷宮密封結構在入口處發生最大變形，變形量為0.109 72 μm，流體出口處活塞氣缸總變形量降低。由于壓差較低，變形量較小，對迷宮密封結構性能的影響可以忽略。

圖4 流體域內壓力云圖

圖5 迷宮密封流固耦合形變量

2.2 流場分布

流體域三維湍動能云圖如圖6所示，圖中流場能量交換激烈，實現了能量的耗散，阻礙了流體的泄漏。

圖6 流體域三維湍動能云圖

取二維截面湍動能云圖，如圖7所示。可見，內部流體湍動能在膨脹腔內通過流動的漩渦和摩擦等方式耗散，然后降低了壓力能的流體通過下一個節流點進入到下一個膨脹室，流體依次進入下一空腔，流體的湍動能逐漸減低。流體由間隙進入空腔后，在遇到對面氣缸斜壁處時能量轉換迅速，湍動能得到明顯削弱。活塞齒形較比氣缸雖然小很多，但是由圖中可以看到，在活塞齒形空腔位置，流體同樣會在遇到活塞斜壁時，湍動能得到明顯損耗。由此可見該齒形對于軸向迷宮密封同樣可以起到很好的密封效果。