基于CFD對啟停階段干氣密封槽型控制與演變的數(shù)值仿真分析

楊益服 李文磊 李俊杰 高 德 張 煒 陸俊杰

（1.浙江希望機(jī)械有限公司；2.浙大寧波理工學(xué)院）

由于干氣密封屬于非接觸氣體動壓密封的先進(jìn)性代表， 使密封產(chǎn)品的壽命得到大幅提高，同時還具備更低的泄漏量、更高的穩(wěn)定性及可靠性等優(yōu)點(diǎn)［1～3］，因此干氣密封逐漸被推廣應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸端密封中。 然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于壓縮機(jī)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在一些極端工況，如啟停過程、低速開車階段等，干氣密封暴露出較大的隱患。 某化肥廠CO2壓縮機(jī)中的28AT型干氣密封頻繁出現(xiàn)故障，拆檢后發(fā)現(xiàn)動靜環(huán)端面有明顯的磨損痕跡［4］，分析認(rèn)為是開啟力不足或氣膜剛度不夠大而導(dǎo)致的動靜環(huán)端面有接觸造成的磨損；廣州石化分公司加氫裂化壓縮機(jī)干氣密封在開機(jī)升速過程中突然發(fā)生損壞，拆檢發(fā)現(xiàn)動環(huán)碎裂［5］，分析認(rèn)為升速過程中開啟力不足導(dǎo)致動靜環(huán)碰撞從而發(fā)生干摩擦和熱裂；浙江鎮(zhèn)海某石化公司， 在裝置停工期間發(fā)現(xiàn)循環(huán)氫壓縮機(jī)C3101后端干氣密封一次氣排火炬流量和壓力超標(biāo)，分析認(rèn)為干氣密封發(fā)生機(jī)械性損壞，二級密封在低壓力下以干摩擦占主導(dǎo)作用，連續(xù)的干摩擦產(chǎn)生大量的熱量，高溫最終導(dǎo)致了動靜環(huán)密封圈的熔化、損壞和動環(huán)的高溫?zé)崃选?由此可見，在機(jī)組啟停過程中，密封的動壓效應(yīng)不足，會導(dǎo)致動環(huán)和靜環(huán)碰摩［6，7］，甚至“抱死”，從而擦傷環(huán)體表面和槽型； 嚴(yán)重時將會引起密封系統(tǒng)損傷，泄漏急劇增大，從而導(dǎo)致機(jī)組被迫緊急停車，可能會造成不可挽回的安全事故、經(jīng)濟(jì)損失等，因此提高機(jī)組啟停階段密封動壓槽的動壓效應(yīng)、加強(qiáng)氣膜剛度、增大密封系統(tǒng)穩(wěn)定性是十分關(guān)鍵的。

實(shí)踐證明，通過在干氣密封動環(huán)表面激光雕刻出形狀各異的微尺度槽型， 可以提高開啟力、保證密封端面的快速開啟［8，9］。 目前，各大石化廠的壓縮機(jī)機(jī)組，使用較多的干氣密封類型為中間帶迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封和雙端面干氣密封，其中動環(huán)表面開設(shè)了螺旋槽，使得螺旋槽干氣密封（SG-DGS）被大范圍推廣使用［10，11］。 但是螺旋槽干氣密封在啟停過程和低速開車階段，表現(xiàn)出動環(huán)和靜環(huán)振動較大、表面碰摩及出現(xiàn)擦痕等現(xiàn)象［12，13］，同時，旋轉(zhuǎn)設(shè)備逐漸向高壓力、高轉(zhuǎn)速、高溫和大尺寸方向發(fā)展，所以尋找一種新槽型保證在低速和啟動時動環(huán)和靜環(huán)能快速脫開，是解決石化廠密封問題的關(guān)鍵。

筆者基于啟停階段低速低壓的工況條件，建立螺旋槽干氣密封和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽（SIR-SGDGS）的數(shù)據(jù)模型，利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件定義，隨后使用Fluent軟件進(jìn)行流場分析，獲得兩種不同槽型的壓力分布云圖，并通過計算獲得兩種槽型在低速低壓條件下的開啟力和泄漏量變化規(guī)律，探尋階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在啟停階段的性能規(guī)律，分析兩種槽型的差異原因，為今后干氣密封理論研究和工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽結(jié)構(gòu)

普通螺旋槽動環(huán)和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽動環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在普通螺旋槽的基礎(chǔ)上，增加了一圈內(nèi)環(huán)槽，而且內(nèi)環(huán)槽的深度比螺旋槽小，從而內(nèi)環(huán)槽和螺旋槽之間形成了一個臺階。 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽具備以下優(yōu)點(diǎn)：首先氣體由于泵吸效應(yīng)，被送入螺旋槽內(nèi)，同時槽內(nèi)氣體不斷壓縮，從而在槽根部的氣膜壓力升高，形成動壓效應(yīng)；在槽根部內(nèi)環(huán)處會儲存一部分的壓力，提高其靜壓能力，同時動態(tài)下的氣膜壓力也會在內(nèi)環(huán)槽得到進(jìn)一步提升；內(nèi)環(huán)槽與螺旋槽之間存在臺階，形成節(jié)流作用，使得壓力升高、泄漏量降低；環(huán)槽底部與動環(huán)內(nèi)徑有一層臺階，對氣體形成了阻流作用。 因此，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在擁有螺旋槽的動壓效應(yīng)、泵吸效應(yīng)和節(jié)流效應(yīng)之外，又多增加了儲壓能力，整個動環(huán)有兩層臺階，可以更加有效地起到節(jié)流作用，令壓力得到提高的同時降低了泄漏量。

圖1 普通螺旋槽動環(huán)和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽動環(huán)結(jié)構(gòu)

2 干氣密封介紹

2.1 干氣密封的基本結(jié)構(gòu)

干氣密封的結(jié)構(gòu)如圖2所示， 基本的零部件有彈簧、推環(huán)、O形圈、靜環(huán)、動環(huán)、動環(huán)座、彈簧座及軸承等。 將彈簧安裝于彈簧座中，上部安裝推環(huán)和O形圈（浮動圈），隨后利用卡圈將靜環(huán)安置于彈簧座中，使得靜環(huán)與彈簧、推環(huán)能進(jìn)行軸向浮動；動環(huán)安裝于動環(huán)座中，一般利用熱套或過盈配合，在動環(huán)與動環(huán)座之間安裝兩條O形圈，為了起到二次密封、減震和支撐的作用，將靜環(huán)組件和動環(huán)組件安裝于軸套中， 并安裝密封腔，形成了一套干氣密封系統(tǒng)，在密封腔上開設(shè)小孔以便進(jìn)氣和出氣。 可將密封氣分為前置密封氣、隔離氣、主密封氣及二級密封氣等，同時密封泄漏氣可根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次收集或直接排空。 目前干氣密封根據(jù)壓縮機(jī)組和泵的結(jié)構(gòu)形式、工況要求等，可以分為雙端面、串聯(lián)和單端面結(jié)構(gòu)，其中雙端面結(jié)構(gòu)為動環(huán)背靠背或面對面安裝，串聯(lián)結(jié)構(gòu)中較為常用的有帶中間迷宮密封的兩級干氣密封和第1級為波紋管機(jī)械密封、第2級為干氣密封的形式，單端面結(jié)構(gòu)多用于泵的密封。

圖2 干氣密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 干氣密封工作原理

圖3為干氣密封的受力圖，彈簧力Fs和密封介質(zhì)力Fe組成了干氣密封的閉合力Fc（Fc=Fs+Fe），作用在靜環(huán)背側(cè)，而密封端面間的流體動壓力則是干氣密封的開啟力Fo。密封剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，轉(zhuǎn)速較低，動壓槽產(chǎn)生的流體動壓力較小，使得閉合力大于開啟力，動靜環(huán)保持接觸，而隨著轉(zhuǎn)速增大，流體動壓力升高，開啟力逐漸增大，但閉合力基本保持不變，使得靜環(huán)發(fā)生軸向運(yùn)動，動靜環(huán)脫開，此時彈簧被壓縮，閉合力增大，直至密封閉合力與開啟力達(dá)到平衡，端面間形成穩(wěn)定的氣膜，干氣密封開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 通過改變端面的動壓槽型，提高端面在低速低壓和啟停階段的開啟能力，是保證干氣密封和壓縮機(jī)機(jī)組正常工作的關(guān)鍵。

圖3 干氣密封受力示意圖

由干氣密封受力平衡可知閉合力等于開啟力，即Fc=Fo，其中：

3 數(shù)值模擬與計算

3.1 幾何模型

結(jié)合干氣密封系統(tǒng)和動靜環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用了普通螺旋槽與階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽兩種槽型為本次槽型結(jié)構(gòu)，并建立潤滑氣膜幾何模型（圖4），這里為了標(biāo)注和說明方便，將兩種槽型繪制成了一個示意圖，上半部分為普通螺旋槽，下半部分為階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽。

圖4 潤滑氣膜幾何模型

螺旋槽的槽型為螺旋線，滿足對數(shù)螺旋線方程。 在柱坐標(biāo)系下方程為：

式中

R——螺旋槽半徑；

Rg——起始半徑（槽根半徑）；

α——螺旋角；

φ——角度坐標(biāo)。

筆者選取文獻(xiàn)［14］中的端面結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，幾何參數(shù)如下：

動環(huán)外半徑Ro77.78 mm

動環(huán)內(nèi)半徑Ri58.42 mm

槽根半徑Rg69 mm

內(nèi)環(huán)半徑Rii67 mm

槽數(shù)n 12

螺旋角α 75°

槽深h 5 μm

氣膜厚度δ 3.05 μm

3.2 流場的基本假設(shè)

根據(jù)流體力學(xué)基本理論， 同時考慮密封靜環(huán)、動環(huán)和密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對密封端面間的氣膜穩(wěn)態(tài)流場進(jìn)行分析時，做了如下假設(shè)：

a. 密封端面間隙內(nèi)流體視為連續(xù)介質(zhì)，此介質(zhì)為理想氣體，屬于層流流動；

b. 端面潤滑層處的熱狀態(tài)為等溫；

c. 氣體分子與密封表面牢固吸附，無相對滑移；

d. 忽略氣體的體積力和慣性力；

e. 在密封系統(tǒng)工作中，忽略系統(tǒng)振動和擾動對流場的影響。

3.3 網(wǎng)格劃分

由于動環(huán)端面為環(huán)形，螺旋槽在周向均布排列，因此潤滑氣膜具有對稱性分布的特點(diǎn)，若槽數(shù)為n，則可抽取1/n潤滑氣膜模型作為計算域，如圖5所示。 該模型為周期模型，端面氣膜厚度只有幾微米，而周向和徑向尺寸達(dá)到幾十毫米，同時，螺旋槽由對數(shù)螺旋線構(gòu)成，因此本次模型的網(wǎng)格劃分存在兩個難點(diǎn)： 其一是跨尺度網(wǎng)格劃分，需要在極薄氣膜厚度下保證網(wǎng)格質(zhì)量；其二是不規(guī)則模型帶來的復(fù)雜性，需考慮計算精度、抗畸變程度、網(wǎng)格數(shù)量、變形特性及再次劃分等多個因素。采用CFD的前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在軟件中重新建立模型， 并進(jìn)行周期邊界對應(yīng)，隨后進(jìn)行面網(wǎng)格劃分， 采用Tri類型和Pave結(jié)構(gòu)，體網(wǎng)格通過面網(wǎng)格進(jìn)行映射， 采用Hex類型和Cooper結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的計算域

圖6 網(wǎng)格劃分圖

3.4 計算模型和邊界條件

控制方程采用可壓縮完全氣體雷諾方程，在極坐標(biāo)情況下，表達(dá)式為：

層流固體壁面采用無滑移條件，近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，密封動環(huán)和靜環(huán)之間運(yùn)動采用參考坐標(biāo)系法， 邊界條件施加示意圖如圖7所示。

圖7 邊界條件施加示意圖

3.5 計算方法

求解器選擇分離的隱式求解器，壓力差值格式為標(biāo)準(zhǔn)差值， 壓力速度耦合采用SIMPLE算法。擴(kuò)散項(xiàng)的離散格式采用中心差分格式，對流項(xiàng)的離散格式采用二階迎風(fēng)格式。

4 結(jié)果討論與分析

4.1 壓力分布

根據(jù)端面結(jié)構(gòu)尺寸，將普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的計算域分別利用CFD進(jìn)行計算，選取壓力0.5 MPa和轉(zhuǎn)速3 000 r/min、 壓力0.5 MPa和轉(zhuǎn)速5 000 r/min作為低速開啟的工況條件，圖8為兩種槽型所獲得的壓力三維分布云圖。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的壓力三維云圖

觀察圖8a可以得知： 在該壓力和工況下，普通螺旋槽內(nèi)的壓力沒有增大，從動環(huán)的外徑到內(nèi)徑處壓力變化呈較為規(guī)則的遞降規(guī)律，槽根部的壓力與動環(huán)外徑入口壓力數(shù)值一致，因此槽根部壓力未升高，說明普通螺旋槽在低速低壓情況下不能很好地獲得動壓效應(yīng)，導(dǎo)致氣膜壓力上升緩慢，開啟力數(shù)值較低，并影響了動環(huán)和靜環(huán)的開啟速度； 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽從動環(huán)的外徑到內(nèi)徑，壓力呈先增大后降低的趨勢，在槽根部區(qū)域能明顯看到壓力增大， 最高壓力達(dá)0.536 MPa，從而說明階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在低速低壓下能更好地產(chǎn)生動壓效應(yīng)，使得動環(huán)和靜環(huán)端面能更快打開， 降低了端面間的干摩擦和不穩(wěn)定磨損程度。由于階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在螺旋槽的底部存在一圓周的內(nèi)環(huán)， 同時內(nèi)環(huán)的深度小于螺旋槽深度，導(dǎo)致氣體在槽根部進(jìn)入內(nèi)環(huán)槽時發(fā)生了一次節(jié)流效應(yīng)，使根部壓力增大、流量下降，另外內(nèi)環(huán)槽可以事先儲備壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將會產(chǎn)生更大的動壓效果。 說明階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽也具備流體靜壓能力。

觀察圖8b可以看到：兩種槽型都可以產(chǎn)生動壓效應(yīng)，這也證明了普通螺旋槽的動壓效應(yīng)在低速下不如階梯形螺旋槽內(nèi)環(huán)槽，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至一定程度時普通螺旋槽才會起作用。 進(jìn)一步觀察圖8b可知，即使轉(zhuǎn)速上升，普通螺旋槽產(chǎn)生動壓效應(yīng)，但是階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的動壓效應(yīng)也強(qiáng)于普通螺旋槽，最高壓力達(dá)0.625 MPa。

4.2 不同工況對開啟力的影響

普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在不同轉(zhuǎn)速和不同壓力下的開啟力如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速和不同壓力對開啟力的影響規(guī)律

從圖9中可以得知： 無論是低速階段還是高速階段，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的開啟力始終大于普通螺旋槽，說明階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽可以在更短的時間內(nèi)保證動環(huán)與靜環(huán)快速脫開，減少端面的磨損，同時槽型的動壓效應(yīng)也優(yōu)于普通螺旋槽。 另外，從圖中的變化趨勢可以看到，開啟力隨壓力的增長率要遠(yuǎn)大于隨轉(zhuǎn)速的增長率，由此可以推斷，轉(zhuǎn)速對干氣密封的作用為局部加強(qiáng)；而壓力的增大，提高了動環(huán)表面壓力分布，同時也會使槽底的壓力提升速率加快，從而進(jìn)一步加強(qiáng)整體開啟力。

4.3 不同工況對泄漏量的影響

普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽在不同轉(zhuǎn)速和不同壓力下的泄漏量如圖10所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)速和不同壓力對泄漏量的影響規(guī)律

從圖10中可以得知：普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的泄漏量均隨轉(zhuǎn)速和壓力的升高而增大， 隨壓力的增大速率超過了隨轉(zhuǎn)速的增大速率。 進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的泄漏量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通螺旋槽，這是由于在氣膜厚度穩(wěn)定的情況下，開啟力的增大意味著氣膜剛度的提高，降低了氣體流量，即泄漏量；另一方面，由于階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽具有靜壓存儲功能和兩次臺階所形成的節(jié)流效應(yīng)， 進(jìn)一步耗散氣體的能量，導(dǎo)致泄漏量降低，也說明了在低速低壓下，階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的阻封能力好于普通螺旋槽。

5 結(jié)論

5.1 階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的動壓效應(yīng)也強(qiáng)于普通螺旋槽，最高壓力達(dá)0.625 MPa；階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的開啟力始終大于普通螺旋槽。

5.2 普通螺旋槽和階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽的泄漏量均隨轉(zhuǎn)速和壓力的升高而增大，隨壓力的增大速率超過了隨轉(zhuǎn)速的增大速率。

5.3 在低速低壓的開啟階段， 利用新型的階梯形螺旋內(nèi)環(huán)槽能保證動靜環(huán)端面更快速地打開，降低磨損，提高壽命。