PEEK材料氣封圈在壓縮機裝配中的應用研究

王政凱，白德斌，馬若晨，汪昶蕊

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

隨著科技的發展，環境問題日益嚴峻[1]，天然氣等清潔能源在人類日常生活與工業使用中所占比例逐漸增大。但天然氣的開采地與使用地往往相距很遠，故需要長輸管路來進行天然氣的運輸，在天然氣運輸的過程中常需要使用離心式壓縮機給其補充動力，以便天然氣運輸的更遠[2-3]。

聚醚醚酮（PEEK）是一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程材料，其不光在機械制造加工領域使用廣泛[4]，在醫學領域亦有較好的應用前景。目前PEEK材料在骨科、口腔頜面外科等生物醫學領域已有廣泛應用[5]。

某型天然氣管線壓縮機的級間及口圈部位氣封圈采用聚醚醚酮（PEEK）材料制成，根據壓縮機設計結構及裝配工藝綜合考慮，該機組轉子在軸承最終安裝前，需依靠級間氣封圈提供支撐，但由于缺乏該材料氣封圈的承載能力試驗數據，所以實際裝配過程中存在轉子壓壞氣封齒的風險。

本文進行PEEK材料氣封圈基于Ansys Workbench[6]的數值計算分析[7]和承載試驗，來驗證該材料氣封圈實際承載能力，同時論證該類型氣封圈在總裝過程中是否可以采用傳統壓鉛方法[8-9]測量底部通流間隙[10]并提出綜合解決方法。研究結果可對PEEK材料氣封圈在壓縮機中的應用提供一些參考。

1 研究方法

1.1 研究對象

本文研究對象選用該型壓縮機級間氣封圈，如圖1所示，氣封圈承載的額定載荷為1 200 kg。

圖1 氣封圈模型圖

1.2 數值研究方法

1.2.1 計算模型

設計數值計算模型與承載試驗原理相一致，其中數值計算模型包括氣封圈和工藝軸兩部分，考慮到簡化計算模型，工藝軸選取單半，結構如圖2所示。

圖2 計算模型

1.2.2 網格劃分

考慮計算經濟性，本文計算對模型劃分采用四面體非結構化網格，工藝軸網格尺寸為10 mm，氣封圈網格尺寸為3 mm，網格總數為36萬，網格劃分結果如圖3所示。

圖3 計算網格

1.2.3 材料屬性及計算邊界條件

材料屬性：氣封圈材料為PEEK，工藝軸材料為Q235-B，具體材料屬性見表1。

表1 材料性能數據

計算邊界條件：施加豎直向下的重力載荷（Standard Earth Gravity），工藝軸中分平面施加豎直向下的力載荷（Force）代表千斤頂施加的力，氣封圈外圓表面施加固定約束（Fixed Support）代表底座對氣封的支撐。

1.3 工藝承載實驗

設計制作的氣封圈承載實驗裝置如圖4所示，主要包括氣封圈、工藝軸、底座、千斤頂及其固定工裝。實驗通過千斤頂施加載荷，觀察氣封圈受壓變形情況，記錄間隙數據變化情況并與數值模擬結果進行比較分析。

圖4 實驗裝置圖

2 結果分析

氣封圈額定載荷（M）為1 200 kg，本文計算與試驗工況均選擇為額定載荷的1.0倍、1.25倍、1.5倍進行。

2.1 數值計算結果分析

數值分析采用Ansys Workbench17.2靜力學模塊實現。

2.1.1 氣封圈應力計算結果

應力計算結果如圖5所示，可以看出隨著載荷的增加，氣封圈的應力不斷增大。在1.0倍額定載荷時，最大應力數值為31.07 MPa；1.25倍額定載荷時，最大應力為38.766 MPa；1.5倍額定載荷時，最大應力為46.415 MPa。三種荷載作用時氣封圈的最大應力較其材料的屈服強度要小，這說明PEEK材料氣封圈在承載過程中可為轉子提供支撐，并且其不會被破壞。

圖5 計算應力圖

2.1.2 氣封圈形變計算結果

氣封圈的變形選取在豎直的載荷作用方向的變形進行分析，計算結果如圖6所示。從結果圖中看出，變形的變化與應力變化相一致，均隨著載荷的增加而增加。在1.0倍額定載荷時，天地方向的最大形變量為0.284 mm，出現在氣封圈底部與工藝軸接觸的位置；1.25倍額定載荷時，形變量為0.354 mm；1.5倍額定載荷時，形變量為0.425 mm。

圖6 計算形變圖

2.2 試驗分析

2.2.1 承載試驗

對PEEK材料氣封圈承載能力進行試驗研究，通過測量工藝軸與底座間隙的變化來表征氣封圈的形變量。試驗過程中分別測量了試驗裝置前后兩側的間隙值，結果見表2，隨著載荷的增加，間隙逐步減小。

表2 試驗測量數據

間隙變化變量與數值計算值的對比如圖7所示，從圖中可以看出試驗結果與數值結果吻合較好，驗證了數值計算的精度。綜上分析，PEEK材料氣封圈其承載能力具備在總裝過程中為轉子提供支撐。

圖7 實驗與數值計算值對比

2.2.2 底部壓鉛試驗

為了驗證傳統壓鉛方法在該型壓縮機裝配時的適用性，于是進行氣封圈底部壓鉛絲試驗，鉛絲布置如圖8所示。

圖8 鉛絲布置

根據鉛絲布置，計算氣封圈理論受力，其中施加的載荷1 200 kg，氣封齒寬度0.3 mm，氣封齒個數為24，鉛絲直徑1.5 mm，得出壓鉛時氣封圈所受壓力為1 088 MPa，超過其屈服極限，會變形破壞。計算公式如下。

鉛絲布置完畢后，施加額定載荷，使氣封圈承載，氣封圈變化如圖9所示，可以發現壓鉛試驗對氣封齒造成了局部的缺陷，與理論計算相符。

圖9 氣封圈變化

對缺陷氣封圈進行二次施加額定載荷，結果如圖10所示，氣封齒出現大面積破裂。這是由于氣封圈壓鉛產生的缺陷破壞了其整體受力結構，從而造成氣封齒的破裂。這表明該機組在總裝過程中無法使用壓鉛方法測量底部通流間隙，需要采用其他方法來保證通流間隙。

圖10 氣封圈二次承載結果

3 結論

本文通過數值計算與工藝試驗，研究了PEEK材料氣封圈在壓縮機總裝過程中的應用，得出以下結論。

（1）數值計算與試驗結果表明，氣封圈承受轉子重量時產生的形變處于彈性變形階段，應力小于材料屈服強度。從而該氣封圈具備總裝過程中為轉子提供臨時支撐的能力。

（2）試驗證明采用通流測量壓鉛法會對氣封齒造成破壞，在實際總裝時需采用其他方法來保證通流間隙。