螺旋槽槽形結構參數對氣液兩相端面動壓密封性能影響*

趙赟杰，趙 芳，王紅玉，楊喜博，火堃鈺

(蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730060)

國內對純氣相的干氣密封和純液相的上游泵送密封研究的很多。例如，李慶展等[1]為明確氣相介質和液相介質分別對高速流體動壓密封性能的影響，進行兩種相態的密封性能對比分析與試驗研究，分析了轉速、壓差、槽深、槽數、槽壩比等操作參數和端面結構參數對動壓密封氣相和液相的泄漏量、開啟力等性能的影響；宋鵬云等[2]根據螺旋槽窄槽理論，得到螺旋槽干氣密封靜止時密封端面間氣膜壓力控制方程，并運用解析法求解，獲得端面間氣膜壓力分布、開啟力和泄漏率等密封性能參數；丁雪興等[3]基于密封系統和動靜環的結構特點，建立了潤滑氣膜計算域模型，使用ICEM 劃分網格，采用 Fluent軟件數值模擬獲得氣膜壓力分布和速度分布，最后通過牛頓內摩擦定律計算得到潤滑氣膜摩擦系數；陳洋洋等[4]用ANSYS Workbench對螺旋槽干氣密封模型進行單向流固耦合分析，得到動環密封端面的應力和應變分布情況，并研究動環轉速和介質氣體壓力對動環密封端面應力和應變的影響。但高速旋轉機械運行中氣液兩相共存，純氣相和純液相的密封工況已經不能滿足實際的工程需要，得到的密封性能的變化規律也不再適用，所以研究氣液兩相密封勢在必行。

本文通過Fluent對氣液兩相端面動壓密封性能進行模擬研究，分析在液氣比一定(0.15)、工況一定的條件下，槽形結構參數對密封性能的影響。

1 油氣兩相動密封工作原理

動壓密封采用動環端面外側開槽的密封結構，密封運轉時，高壓介質從外側進入密封端面動壓槽區，如圖1所示。進入槽區的介質由于螺旋槽的存在隨著螺旋槽一起旋轉。當流體運動到螺旋槽根部時，由于存在階梯效應，產生高壓區，密封端面開啟，形成動壓密封。

1.密封環;2.計算模型(厚度放大1000倍)。

油氣兩相動壓密封的密封介質是氣液混合物。螺旋槽開在動環外側，螺旋線為對數螺旋線，表達式為[5]：

R=Rgeθ tan α

(1)

式中，Rg為槽根半徑，mm；θ為螺旋線轉角，α為螺旋角，(°)。

螺旋槽結構參數如表1所示，動壓密封操作參數如表2所示，氣液相介質參數如表3所示。

表1 動壓密封結構參數

表2 動壓密封操作參數

表3 動壓密封介質參數

2 油氣兩相動壓密封計算方法

2.1 計算模型

研究對象為動靜環端面間的流體域，研究氣液兩相流動情況。由于端面動壓槽呈周期性分布，利用周期性邊界條件，取一個動壓槽進行計算。計算模型如圖1所示。

2.2 基本假設

為了便于分析，本文設定第一相為空氣，第二相為油滴。針對動壓密封端面流體膜的實際特點，對密封流體膜做如下假設:

①密封端面間流體的流動為層流；②流體流動過程中溫度、黏度恒定；③油滴均勻的分布在空氣中，油滴之間的相互作用力忽略不計[6]。

2.3 多相流基本模型

Mixture模型適用于模擬有強烈耦合的各相同性多相流和各相以相同速度運動的多相流。根據本文的流體分布及假設情況，選擇多相流中的Mixture模型。

1)連續方程為[7]：

(2)

2)動量方程為：

(3)

3)能量方程為:

(4)

4)第二相的體積分數方程為：

(5)

2.4 穩態密封特性參數

在工況參數一定、液氣比一定的情況下，得到最大的開啟力和最小的泄漏量是對氣液兩相密封性能最好的解釋，氣膜剛度能反映密封系統的穩定性，為了便于分析氣液兩相端面流體膜密封的密封性能，用泄漏量、開啟力、氣膜剛度這三個參數對密封性能進行評價。

①泄露量[8]：泄漏量是反映密封效果的直接參數，FLUENT軟件可以直接計算出單位時間內通過流體域出口的介質的量，本文分別計算出氣體的泄漏量和液體的泄漏量。

(6)

②開啟力：

(7)

式(6)(7)中：ρg、ρL分別為空氣、油滴的密度，kg·cm-3；vg、vL分別為空氣、油滴的速度，m·s-1；A為面積，m2；P為壓強，Pa。

(8)

式(8)中：h為氣膜厚度，mm。

2.5 邊界條件

模型的邊界條件如圖2所示，其中Top-surface為螺旋槽旋轉壁面，Bottom-surface為靜止壁面，A1、A2、B1、B2分別為周期邊界，即壓力的周期性邊界條件[10]：

式中，Ng為動壓槽個數。

圖2 1/12螺旋槽氣液兩相膜邊界條件設置

2.6 求解流程及相關條件設置

在ICEM中劃分完網格，網格質量符合要求，將計算域網格導入FLUENT中，設置材料參數和工況參數，采用穩態模型進行計算，具體的操作步驟如下：

①將質量合格的網格導入FLUENT，選擇基于壓力的求解器，設置穩態求解模式；②選擇多相流模型為：Mixture；③選擇層流模型；④添加材料，同時設置物性參數，第一相為空氣，第二相為油滴，不考慮表面張力的影響；⑤按照圖2所示設置壓力入口、壓力出口，并設置液氣比；⑥按照圖2所示設置旋轉壁面、靜止壁面；⑦采用COUPLED算法，壓力的離散格式采用PRESTO格式，動量采用一階迎風格式，體積分數采用一階迎風格式。

3 計算結果及分析

3.1 槽深對動壓密封性能的影響

由圖3(a)泄漏量隨槽深的變化看出，動壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著槽深的增大先增大后減小，槽深 6 μm 時達到最大值；由圖3(b)、(c)看出，開啟力、流體膜剛度都隨著槽深的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)開啟力 (c)流體膜剛度

3.2 氣膜厚度對動壓密封性能的影響

由圖4(a)泄漏量隨氣膜厚度的變化看出，動壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著氣膜厚度的增大而增大；由圖4(b)、(c)看出，開啟力隨著氣膜厚度的增大而增大，流體膜剛度隨著氣膜厚度的增大而減小。

(a)泄漏量 (b)開啟力 (c)流體膜剛度

3.3 槽數對動壓密封性能的影響

由圖5(a)泄漏量隨氣膜厚度的變化看出，動壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著槽數的增大而增大；由圖5(b)、(c)看出，開啟力、流體膜剛度都隨著槽數的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)開啟力 (c)流體膜剛度

4 結論

1)動壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著槽深的增大先增大后減小，槽深 6 μm 時達到最大值，開啟力、流體膜剛度都隨著槽深的增大而增大。

2)動壓密封的氣體泄漏量和液體泄漏量都隨著氣膜厚度的增大而增大，開啟力隨著氣膜厚度的增大而增大，流體膜剛度隨著氣膜厚度的增大而減小。

3)動壓密封的氣體泄漏量、液體泄漏量、開啟力、流體膜剛度都隨著槽數的增大而增大。