螺旋槽干氣密封氣膜流場數值分析及參數研究

宋遠紅*，李鳳芹

（1.成都工業職業技術學院裝備制造學院，四川成都，610218；2.濟南時代試金試驗機有限公司，山東濟南，250300）

螺旋槽干氣密封氣膜流場數值分析及參數研究

宋遠紅1*，李鳳芹2

（1.成都工業職業技術學院裝備制造學院，四川成都，610218；2.濟南時代試金試驗機有限公司，山東濟南，250300）

基于計算流體動力學（CFD）的動壓效應理論，建立了螺旋槽干氣密封氣膜流場控制微分方程并進行建模，確定了計算區域。根據文獻給出的實驗數據，采用FLUENT對氣膜壓力場進行求解，得到了密封計算區域動環端面處氣膜壓力沿半徑方向的分布。本文對干氣密封的穩態特性、槽型幾何參數對密封性能（泄漏量和氣膜剛度）的影響進行分析研究，并結合文獻實驗數據對螺旋槽干氣密封端面槽型參數進行優化，以保證最低泄漏量的同時得到最大氣膜剛度，從而為進一步的研究奠定基礎。

螺旋槽；干氣密封；參數研究；氣膜流場；FLUENT

引言

干氣密封[1]是一種新型密封形式，也稱作氣體端面密封,它是在機械密封基礎上發展得來的。它屬非接觸式密封形式，重要構件為動、靜環，特征是在動環或靜環的端面上加工有均勻分布的淺槽。利用該淺槽的流體動壓效應，在動、靜環間形成一定厚度的氣膜，此氣膜有一定的剛度，既能保證泄漏量不至超標，又能使兩環端面實現非接觸運轉。干氣密封特別適合于高速、高溫、高壓設備的密封，是目前最先進的一種動密封形式。

干氣密封的原理[2]是密封端面做相對轉動時，通過淺槽產生流體動壓效應，在動靜環之間形成很薄的氣膜，從而使密封副可工作在非接觸狀態下。干氣密封具有泄漏量少（理論上甚至可達零泄露）、端面磨損小、運行壽命長和可靠性高等優點。從流體動力學角度來講，在干氣密封端面開任何形狀的溝槽，都能產生動壓效應。槽型主要有圓弧槽、螺旋槽、直線槽和T形槽等，理論研究表明，螺旋槽產生的流體動壓效應最強，氣膜剛度最大，密封的穩定性最好。工程實踐中，螺旋槽干氣密封并沒發揮出它的最大優勢，大多數情況下，是因為沒有實現槽形幾何參數的最佳組合。本文以螺旋槽干氣密封為研究對象，對螺旋槽干氣密封端面流場進行分析，研究槽形幾何參數對密封性能的影響，實現槽形參數的合理選擇，這對螺旋槽干氣密封的設計、制造以及安全、可靠、穩定和長周期運行具有較好的實踐意義。

1 干氣密封原理與微分方程

1.1 密封原理

螺旋槽干氣密封的工作原理[3]，實際上是利用流體動壓力與流體靜壓力和彈簧元件彈力的合力與閉合力的平衡，在動靜環之間形成一定厚度的氣膜，從而達到密封的目的。當動環旋轉時，氣體介質進入螺旋槽并被引向中心，被壓縮的介質因密封堰的阻礙，氣體壓力逐漸增大，該壓力是動環旋轉產生的稱為流體動壓。一般在密封動環端面加工有幾微米的淺槽，槽深一般在2.5～10μm取值。當密封端面副間有相對運動時，槽的泵送效應和臺階效應會在密封端面副間形成穩定的有一定剛度的氣膜，這層氣膜保證密封工作在非接觸狀態，同時使密封泄漏量從理論上可達到零泄露水平。

1.2 微分方程

基于 CFD中的動壓效應[4]基本理論，以及描述絕大部分流體流動和傳熱問題的方程，分析推導得出螺旋槽干氣密封氣膜流場的控制微分方程，它為下面一組笛卡兒坐標系下的方程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：

U，其中是指流速在坐標方向的分量；

2 流場數值分析

2.1 流場基本假設

基于流體力學基本理論，并且考慮干氣密封系統本身結構，對氣膜流場分析時作了如下假設[5]：

（1）符合牛頓粘性定律，屬于牛頓流體；

（2）溫度變化視為忽略，可認為流場內溫度、粘度均相等；

（3）流體視為連續介質，可認為密封端面間的氣體流動屬于完全氣體流動；

（4）忽略工作過程中系統擾動和振動對氣膜的影響；

（5）忽略密封端面粗糙度對氣體流動的影響。

2.2 計算區域

由于密封端面上螺旋槽呈對稱性和周期性分布，對于穩態壓力場，邊界條件也是周期性的，若端面開槽數為Ng，則可以選擇整個密封端面的1/Ng份，即一個槽臺區和與之相連的壩區作為計算區域，計算區域見圖1。

圖1 計算區域 (厚度方向放大1000倍)

2.3 氣膜壓力場求解

從計算流體力學知識的角度出發，基于完整的控制微分方程，用Pro/E建立一個周期域內的三維幾何實體。密封端面壓力分布是與流體動壓效應直接相關的。因此，對密封端面流場進行數值求解，能較全面地對干氣密封性能做出分析。本文采用FLUENT對螺旋槽干氣密封氣膜流場進行數值求解、分析[6]。

密封的結構幾何參數主要包括密封面中各類直徑(如內半徑ri、外半徑r0和平衡直徑rb)、密封面寬度bf、平衡系數b和螺旋槽的形狀幾何參數。槽形幾何參數包括螺旋角α、槽深hg、槽臺寬比δ、槽長壩長比γ和槽數Ng。干氣密封的主要性能參數：泄漏量、氣膜剛度，螺旋槽干氣密封兩密封端面間的氣膜阻止著間隙的變化，每單位膜厚變化引起的力的變化稱為剛度，其單位為N/m。

表1為根據文獻[7]給出的實驗用數據，在研究某個參數對密封性能的影響時，假定其他參數值不變。圖2為在此參數設置下螺旋槽干氣密封計算區域動環端面處氣膜壓力沿半徑方向的分布及與文獻試驗值得比較。由圖可得，密封端面間的壓力從外徑到內徑逐漸上升，大約在螺旋槽底部壓力最高，由此壓力值與文獻的實驗值的比較，可以看出二者比較接近，驗證了本文理論計算值與文獻試驗值的吻合。

表1 螺旋槽幾何尺寸及運行條件

圖2 文獻試驗值及計算值比較（半徑方向的壓力分布）

3 槽型幾何參數對密封性能的影響

3.1 密封性能參數

（1）氣膜剛度

單位氣膜厚度變化引起開啟力的變化稱為氣膜剛度（N／m）。一般說的氣膜剛度指軸向剛度。

上式中，h1和 h2指的是平衡位置附近的微小擾動氣膜厚度，相應的開啟力分別為f01和f02。無量綱氣膜剛度為：

（2）泄漏量

將其沿圓周積分（內徑ID）得到徑向泄漏量：

本研究就槽型幾何參數對密封性能參數中的軸向剛度和泄漏量的影響進行分析，分析所用的參數如表1所示，在研究其中某個參數對密封性能的影響時，假定其他參數保持不變。

3.2 參數對密封性能的影響

3.2.1 槽臺寬比δ的影響

圖3 槽臺寬比δ對密封性能的影響

由圖3可得，隨著槽臺寬比的增大，泵入效應和階梯效應增強，氣膜剛度增加，在δ為0.6時達到最大，而后隨著槽臺寬比的增大而減小。與此同時，壩區所占的比例就越小，當δ大于0.5時，泄漏量的影響趨于平緩。

3.2.2 平衡間隙的影響

圖4 平衡間隙對密封性能的影響

由圖4可得，平衡間隙越小，泄漏量就越小，平衡間隙很小時氣膜不穩定，氣膜剛度很小，隨著平衡間隙的增大，氣膜剛度得到改善而增大，很快達到一最大值，通過最大值之后，平衡間隙如果繼續增大氣膜剛度就開始下降了。

3.2.3 槽長壩長比γ的影響

圖5 槽長壩比γ對密封性能的影響

由圖5可得，隨著槽長壩長比的增大，泄漏量持續增大。軸向剛度隨著槽長壩長比的變化先增大后減小，在γ等于0.5左右時達到最大值。槽長壩長比的增大意味著螺旋槽的加長，從而密封端面的平均間隙增加，引起泄漏量的增加。同時螺旋槽的加長使得階梯效應增強，產生更大的動壓效果，但是螺旋槽過長將使阻流區大大減小，流體動壓效果將迅速減小，從而使得氣膜的軸向剛度急劇減小。

4 結束語

本研究對螺旋槽干氣密封氣膜流場進行建模、確定計算區域，根據螺旋槽干氣密封氣膜流場控制微分方程，采用計算流體動力學（CFD）軟件包FLUENT進行數值求解、分析，得到了密封計算區域動環端面處氣膜壓力沿半徑方向的分布，并與文獻試驗值進行比較，得出螺旋槽干氣密封能產生較好的流體動壓效應。

根據所得的氣膜壓力分布，本研究就槽型幾何參數（槽臺寬比、平衡間隙、槽長壩長比等）對密封性能中的軸向剛度和泄漏量的影響進行分析，得到了參數的最佳值，研究結果為螺旋槽干氣密封的設計提供了有益的參考。

[1]顧永泉,體動密封(上冊)[M],東營:石油大學出版社,1990,1.

[2]王汝美.新型密封—氣體密封[J].流體工程,1990(6):34-36.

[3]彭建,左孝桐.不同槽型氣體端面密封研究[J],流體機械,1996,24(11).

[4]林培鋒,螺旋槽干氣密封穩態特性有限元分析[D],北京化工大學碩士學位論文,2001,6.

[5]劉順隆,鄭群,計算流體力學[M],哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1998,5.

[6]王瑞金,張凱,王剛,Fluent技術基礎與應用實例[M],北京:清華大學出版社,2007,2.

[7]Zuk J,Renkel H.E.Numerical Solutions for the Flow and Pressure Fields in an idealized Spiral Grooved Pumping Seal[J].Proc.of Fourth International Conference on Fluid Sealing.1970,290-301

Numerical Analysis and Parameters Research on Spiral Groove Gas Face Seals Fluid Field

SONG Yuanhong1*, LI FengQin2
(1.College of Equipment Manufacturing,Chengdu Institute of Technology,Sichuan Chengdu,610218,China; 2.Jinan Times Test Machine Co.,Ltd.,Shandong Jinan,250300,China)

Based on the dynamic pressure effect theory of computational fluid dynamics (CFD),establishing controlling differential equation and modeling ,determining the computational region.According to the experimental datas of the literature ,solving the gas film pressure field by adopting FLUENT,obtaining the distribution of the film pressure along the radial direction at the end of the moving ring in the sealed calculation region.This paper studies the performances of gas face seals involved in steady-state performance,groove geometry parameters (mainly leakage and stiffness of gas film) effects of seal parameters,and the optimized spiral groove dry gas seal face groove shape to gain the minimum leakage and the maximum stiffness of gas film,and makes ready for the further research later.

Spiral Groove; dry gas seals; parameter study; gas film flow field; FLUENT

TB42

A

1672-9129(2017)04-0052-04

宋遠紅,李鳳芹.螺旋槽干氣密封氣膜流場數值分析及參數研究[J].數碼設計,2017,6(4):52-55.

Cite：SONG Yuanhong,LI FengQin.Numerical Analysis and Parameters Research on Spiral Groove Gas Face Seals Fluid Field[J].Peak Data Science,2017,6(4):52-55.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.015

2017-01-19；

2017-02-10。

宋遠紅（1978-），女，漢族，四川省資陽市人，碩士，講師，研究方向：機械制造技術。E-mail:1147778179@qq.com