仿樹形槽干氣密封流固耦合分析

摘要：傳統螺旋槽干氣密封只可正向旋轉產生動壓效應，反向旋轉時產生的動壓效應極小，為消除這一弊端，提出一種仿樹形槽，以增強干氣密封性能和穩定性。對仿樹形結構干氣密封進行研究，建立仿樹形槽和螺旋槽兩種模型，在ANSYS軟件中對密封端面流場進行數值模擬，結果表明：仿樹形槽的密封性能優于傳統螺旋槽?？紤]流場和密封端面的共同影響，對干氣密封開展流固耦合的模型分析，通過改變外界工況參數，探究動環的變形量和最大應力值的變化情況，結果表明：隨著轉速和入口壓力的增大，兩種槽型的最大變形量和最大應力值均增大，且仿樹形槽的最大變形量和最大應力值始終大于傳統螺旋槽。

關鍵詞：干氣密封；仿樹形槽；密封環；螺旋槽；流固耦合

中圖分類號：TH136" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0041-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.012

0" " 引言

干氣密封相較于其他密封有著卓越的密封性，且具有極低的泄漏量、卓越的耐用性、低能耗以及高效的密封性能，同時能確保流體不遭受油污染，且其輔助密封系統簡潔而可靠[1]。干氣密封實際上是一種非接觸式機械密封[2]，與普通接觸式機械密封不同的是，干氣密封密封端面上的動環表面加工了流體動壓槽，在動環旋轉時會產生動壓效應，較普通機械密封來說，提高了密封性能。目前常見的流體動壓槽有螺旋槽、新型螺旋槽、T型槽、圓弧槽等[3-6]，根據是否對稱，槽型主要分為兩類：一類是單向旋轉槽，另一類是雙向旋轉槽[7]。近年來，為提高干氣密封的動壓性能，國內外學者開始對雙向旋轉槽展開研究。

ETSION[8]最早對機械密封進行深入探討，為未來的干氣密封技術研究奠定了扎實的理論基礎。SEDY[9]首次提出了優化干氣密封性能的策略。馬媛媛[10]探討了樅樹型槽在不同工況條件和結構參數下對密封性能的影響規律，研究結果顯示，樅樹型槽干氣密封可實現雙向旋轉，同時產生較佳的動壓效應。莫隴剛[11]針對仿樹形槽和傳統螺旋槽，分別展開數值模擬計算，探究不同工況參數下的氣體模型流場，研究表明，仿樹形槽展現出了優良的動壓效應及優異的密封特性。隨著ANSYS軟件的持續優化與擴展，流固耦合的計算及研究已取得顯著成果，同時在工程領域的應用范圍也日益廣泛。流固耦合研究計算的優勢在于，它不僅能夠大幅縮短研究時間，還能更精確地模擬實際工作場景。張偉政等人[4]對比了新型螺旋槽和傳統螺旋槽干氣密封在流固耦合下動環和靜環的最大變形量和最大應力值，結果表明，新型螺旋槽相較于傳統螺旋槽其最大形變和最大應力數值均較高。李雪斌等人[5]針對T型槽結構，開展流固耦合場的數值模擬研究，結果表明，采用流固耦合模擬得到的最大變形量和用理論基礎計算出的結果接近。王坤[6]以T型槽為研究對象，對流固耦合場進行數值模擬分析。黃偉峰等人[2]構建熱流固耦合計算模型，分析干氣密封性能，對氦氣干氣密封開展熱流固耦合分析，探討不同轉速與槽深如何作用于密封性能及相關參數的影響機制。

本文以仿樹形槽為研究對象，分別建立了傳統螺旋槽和仿樹形槽干氣密封模型，探究流固耦合下密封端面的動環變形量和應力分布情況。

1" " 幾何結構及端面結構參數

1.1" " 仿樹形槽干氣密封氣體模型

仿樹形槽端面結構如圖1所示，其可實現雙向旋轉，即正向和逆向旋轉，相較于傳統的螺旋槽來說，可應用于需要雙向旋轉的實際環境中。

仿樹形槽由兩個動壓槽和一個與動壓槽相連接的直線槽組成，形狀像“樹”，故稱為仿樹形槽。氣體模型深度和槽深均為微米級別，為方便觀察其具體槽型結構，圖2中仿樹形槽氣體模型的尺寸是沿軸向放大1 000倍的。

干氣密封動環上的微型槽在端面上呈周期性均勻分布，其形成的氣體模型排列方式與其相同，所以選取整個氣體模型的1/N為計算域即可（N為密封端面仿樹形槽的個數）。為方便觀察，將實際的氣體模型厚度和槽深沿軸向放大了1 000倍。

仿樹形槽結構參數如表1所示，工況條件如表2所示。

1.2" " 流固耦合幾何模型

干氣密封密封端面中流體域和固體域的耦合模型如圖3所示，其中圖3（a）中固體域為仿樹形槽干氣密封動環模型，流體域為1.1章節中建立的仿樹形槽氣體模型；圖3（b）中固體域為螺旋槽干氣密封動環模型，流體域為螺旋槽氣體模型。

2" " 流固耦合基本方程

在流固耦合分析中，流體部分與固體部分并存，涉及的變量可分為流體變量與固體變量。因此，其基本方程可分為流體控制方程、固體控制方程以及流固耦合控制方程[12]。

2.1" " 流體控制方程

1）連續性方程：

式中：ux、uy、uz分別表示坐標軸x、y、z三個方向上的速度分量；t為時間；ρ為密度。

2）動量守恒定律：

+？犖·（ρuxu）=-+ρfx，+？犖·（ρuyu）=-ρfy，+？犖·（ρuzu）=-+ρfz （2）

式中：p代表流體微元體所受的壓力；τxx、τyx、τzx代表在黏性作用下，微單元體表面黏性應力τ的分量；fx、fy、fz分別代表坐標軸x、y、z三個方向上的質量力；u代表速度矢量。

2.2" " 固體控制方程

Ms+Cs+Ksds+τs=0" " " " " " " （3）

式中：Ms為質量矩陣；Cs為阻尼矩陣；Ks為剛度矩陣；ds為固體的位移；τs為固體受到的應力；為加速度；為速度。

2.3" " 耦合控制方程

在研究流固耦合問題時，耦合界面上的固體與流體部分應該滿足相應的方程：

τf ·nf =τs·ns" " " " " " " " "（4）

df=ds" " " "（5）

式中：τf代表流體的應力；τs代表固體的應力；df代表流體的位移；ds代表固體的位移；nf代表流體的法向矢量；ns代表固體的法向矢量。

3" " 求解方法及網格劃分

3.1" " 求解方法

將建立好的模型進行網格劃分，選擇層流模型，算法選擇SIMPLE。對壓力差值采用標準插值，對流項離散格式采用二階迎風格式，迭代精度設為1×10-5。

3.2" " 網格劃分

3.2.1" " 流體域網格劃分

計算機是基于網格的類型和數量對目標體進行識別分析的，網格的質量和網格的數量直接影響最終的結果。對于網格的劃分，有不同的方式可以選擇，而三維氣體模型又是較復雜的模型，所以選擇劃分網格的方式是前處理的重點。建立仿樹形槽模型，這里的模型尺寸沿軸向放大1 000倍，建立好后在Mesh中進行網格劃分，將劃分好的模型導入Fluent中，在Scale中對劃分好的網格模型沿軸向縮小為原來的1/1 000。

3.2.2" " 密封環網格劃分

根據不同的情況選擇適合幾何模型的網格劃分方法，可以提高網格的精度，獲得精度較高的計算結果。本文中的流固耦合模型在網格劃分時要分區域進行，即動環模型設定網格密度，固體域和流體域接觸的耦合面要設定網格加密。

3.3" " 邊界條件設定

仿樹形槽氣體模型在干氣密封密封端面上是周期均勻分布的，且滿足壓力周期性條件：

Pθ=0=Pθ=α" " " " " " " （6）

式中：Pθ=0為起始端點壓力；Pθ=α為上周期終點壓力。

圖4所示為仿樹形槽單周期氣體模型示意圖。在網格中對計算域進行定義并設定周期性邊界，其中A、B為計算域的周期邊界。

3.4" " 材料選擇

鑒于干氣密封所處的環境條件較為嚴苛，壓力較大，一般而言，靜環材料如石墨、動環材料如碳化硅在高壓環境下長期運行存在局限性，并考慮到干氣密封在剛啟動和停止的過程中會出現瞬間的干摩擦，為了減少摩擦，動靜環材質選擇碳化鎢，具體的物性參數如表3所示。

4" " 流固耦合結果及分析

4.1" " 應力分析

如圖5所示，對仿樹形槽干氣密封和螺旋槽干氣密封動環的應力分布進行分析。在兩種槽中，最大的應力均出現在與動環相對應的氣膜槽的根部位置。

在干氣密封運作時，取入口壓力為4.58 MPa、出口壓力為0.1 MPa、轉速為10 000 r/min、入口溫度為30 ℃、氣體模型厚度為2 μm、槽數為12、槽深為6 μm，仿樹形槽和螺旋槽動環受到的應力分布情況如圖5所示，仿樹形槽的最大應力為43.289 MPa，螺旋槽的最大應力為42.871 MPa，仿樹形槽動環上的應力比螺旋槽多0.418 MPa，可知仿樹形槽動環的壓力大于螺旋槽動環的壓力，這是因為仿樹形槽有兩個動壓槽，更容易出現應力集中的情況。

4.2" " 變形分析

圖6所示為仿樹形槽干氣密封和傳統螺旋槽干氣密封動環的變形情況。

在探究兩種槽型的變形分布情況時，仍取入口壓力為4.58 MPa、出口壓力為0.1 MPa、轉速為10 000 r/min、入口溫度為30 ℃、氣體模型厚度為2 μm、槽數為12、槽深為6 μm。如圖6可知，仿樹形槽動環的最大變形量為0.387 1 μm，而螺旋槽動環的最大變形量為0.368 3 μm，仿樹形槽的變形量大于螺旋槽的變形量。

4.3" " 工況參數的影響

4.3.1" " 轉速對流固耦合應力的影響

圖7所示為不同入口轉速下仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環的最大應力值的變化情況。

由圖7可知，當轉速為10 000 r/min時，仿樹形槽的最大應力值為43.2 MPa，螺旋槽的最大應力值為42.8 MPa，兩種槽型的最大應力差值為0.4 MPa。當轉速為200 000 r/min時，仿樹形槽的最大應力值為43.7 MPa，螺旋槽的最大應力值為43.6 MPa，兩種槽型的最大應力差值為0.1 MPa，可知仿樹形槽的變化量大于螺旋槽的變化量。當動環的轉速不斷提高，兩種槽型的最大應力值也隨之提高。這是因為動環的轉速提高，氣體模型的轉速也隨之提高，氣體模型的離心力也會變大，導致離心效應更加明顯，從而增大動環的應力，提高干氣密封的密封性能。

4.3.2" " 入口壓力對流固耦合應力的影響

圖8所示為不同入口壓力下仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環的最大變形量的變化情況。

由圖8可知，不改變出口壓力，不斷增加入口壓力，仿樹形槽和螺旋槽動環上的表面應力也線性增長，該規律和轉速對應力的影響相似。當入口壓力為1 MPa時，仿樹形槽動環的表面應力為38.26 MPa，螺旋槽動環表面壓力為37.46 MPa。當入口壓力為9 MPa時，仿樹形槽動環的表面應力為49.97 MPa，螺旋槽動環表面壓力為49.37 MPa。仿樹形槽動環的表面應力始終略大于螺旋槽的表面應力。

4.3.3" " 轉速對流固耦合變形的影響

圖9所示為不同轉速下仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環的最大變形量的變化情況。

由圖9可知，當轉速為10 000 r/min時，仿樹形槽的最大變形量為0.387 μm，螺旋槽的最大變形量為0.367 μm。當轉速為20 000 r/min時，仿樹形槽的最大變形量為0.390 μm，螺旋槽的最大變形量為0.371 μm，隨著轉速的提升，兩種不同槽型結構的動環形變并未顯著增大。仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環的最大變形量均呈現緩慢上升的趨勢，且仿樹形槽動環的變形量始終大于螺旋槽動環的變形量，最大變形量都發生在兩種槽的槽根部分。

4.3.4" " 入口壓力對流固耦合變形的影響

圖10所示為不同入口壓力下仿樹形槽和螺旋槽動環的最大變形量的變化情況。

由圖10可知，當入口壓力為1 MPa時，仿樹形槽動環的最大變形量為0.342 μm，螺旋槽的最大變形量為0.327 μm。當入口壓力為9 MPa時，仿樹形槽動環的最大變形量為0.445 μm，螺旋槽的最大變形量為0.425 μm。兩種槽型的動環變形量隨入口壓力提高，變化明顯。可見當入口壓力提高時，密封環的變形量也隨之呈現線性增長的趨勢。同時，仿樹形槽動環的最大變形量略大于螺旋槽的最大變形量。

5" " 結論

本文建立了仿樹形槽和傳統螺旋槽模型，基于這兩種模型對干氣密封進行流固耦合分析，主要結論如下：

1）仿樹形槽干氣密封能實現雙向旋轉，較傳統螺旋槽能產生更明顯的動壓效應。

2）在確保結構參數與工況條件不變的前提下，仿樹形槽動環的最大應力值大于傳統螺旋槽動環的最大應力值，且應力最大值出現在兩種槽型槽根部位。在比較仿樹形槽干氣密封動環與傳統螺旋槽干氣密封動環時，發現前者的最大形變超過了后者，且在槽根區域出現了最大形變。

3）仿樹形槽動環和螺旋槽動環的最大應力隨轉速的增大而單調增大，隨入口壓力的增加而呈現線性增長的趨勢。仿樹形槽動環和螺旋槽動環的最大變形量隨轉速增大而逐漸增大，隨入口壓力的增加而增加。

[參考文獻]

[1] 楊青，孫鑫暉，郝木明，等.考慮慣性效應的超臨界二氧化碳干氣密封動態特性研究[J].潤滑與密封，2022，47（1）：44-52.

[2] 黃偉峰，王偉達，劉瑩，等.氦氣介質干氣密封熱-流固耦合建模及性能分析[J].潤滑與密封，2021，46（2）：1-9.

[3] 陳洋洋，朱維兵，楊陽.基于ANSYS Workbench的螺旋槽干氣密封流固耦合分析[J].潤滑與密封，2017，42（11）：119-123.

[4] 張偉政，趙吉軍，張獻中，等.新型螺旋槽干氣密封流固耦合分析[J].潤滑與密封，2022，47（9）：1-10.

[5] 李雪斌，張昆明，王坤，等.T型槽干氣密封流固耦合分析[J].內江科技，2018，39（10）：80-82.

[6] 王坤.T型槽干氣密封流固耦合分析[D].淮南：安徽理工大學，2018.

[7] 莫隴剛，丁雪興，嚴如奇，等.仿樹形槽干氣密封穩態性能分析[J].潤滑與密封，2022，47（12）：68-74.

[8] ETSION I，GREEN I.Mechanical face seal dynamics[J].The Shock and Vibration Digest，1985，17（4）：11-16.

[9] SEDY J.A new self-aligning mechanism for the spiral-

groove gas seals stability[J].Lubrication Engi-

neering，1980，36（10）：592-598.

[10] 馬媛媛.雙向旋轉樅樹型槽干式氣體端面密封的性能研究[D].杭州：浙江工業大學，2011.

[11] 莫隴剛.仿樹形微槽機械密封流場穩態性能研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2022.

[12] 李寧，穆塔里夫·阿赫邁德，呂星剛.螺旋槽機械密封摩擦副界面流固耦合分析[J].流體機械，2016，44（1）：29-33.

收稿日期：2024-04-18

作者簡介：帥夢瀟（2000—），女，四川青神人，碩士研究生，研究方向：機械密封技術及理論。