回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器柔性密封研究方法及可靠性分析

國能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司 石立斌 許 恒 沈小兵 管慧博 姚贊新 唐作寧 范經(jīng)偉

秦皇島華宇通電力科技有限公司 鄭 義 胡永飛 呂彥朝

1 引言

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是一種應(yīng)用廣泛的熱交換設(shè)備，由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好的特點(diǎn)[1]，通常用于工業(yè)生產(chǎn)中的高溫氣體的預(yù)熱。目前，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器存在的主要問題是在回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器正常運(yùn)行的過程中，氣體從設(shè)備的密封處泄漏或逸出，漏風(fēng)量較大，降低了空預(yù)器的能量回收率[2]，導(dǎo)致預(yù)熱器的熱效率下降，甚至可能對設(shè)備本身和周圍環(huán)境造成安全隱患[3]。因此，控制回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率是保證預(yù)熱器安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要一環(huán)。在實(shí)際工況當(dāng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，泄漏會(huì)帶走額外的能量，降低回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的傳熱效率。漏風(fēng)量每增加1%，能量損失將增加0.2%～0.3%[4]。對空預(yù)器而言，減少泄漏和提高傳熱效率是有益的。減少泄漏的主要方法是在其中添加一些密封件[5]，其主要有以下幾種空預(yù)器密封裝置。機(jī)械密封裝置，主要是通過機(jī)械部件（如軸封、端面密封等）實(shí)現(xiàn)密封；接觸密封裝置，主要通過兩個(gè)或多個(gè)零件之間的接觸實(shí)現(xiàn)密封，如銷子式密封等[6]；墊片密封裝置，主要通過墊片的變形來實(shí)現(xiàn)密封，如括法蘭密封、螺栓密封等；彈性密封裝置，主要通過彈性材料的彈性變形來實(shí)現(xiàn)密封。其中墊片密封和彈性密封屬于柔性密封范疇。近年來，柔性密封裝置由于其結(jié)構(gòu)特殊、剛性較低、密封效果良好而被廣泛應(yīng)用。柔性密封裝置在正常工況下會(huì)同時(shí)受到預(yù)壓和流場壓差，密封效果影響著空預(yù)器漏風(fēng)率[7]。本文利用數(shù)值模擬法方法，主要討論柔性密封裝置的材料的選擇以及其密封的影響因素，從而提出柔性密封裝置可靠性設(shè)計(jì)方案。

2 柔性密封裝置

2.1 柔性密封裝置介紹

在回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器正常運(yùn)行工況當(dāng)中，如果要保證空預(yù)器長久高效地運(yùn)行，密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的一環(huán)?，F(xiàn)在以空預(yù)器冷端為研究對象，以某公司研發(fā)的重力式柔性密封裝置進(jìn)行研究，如下圖1所示。

圖1 重力式柔性密封裝置

該密封裝置的工作原理是通過安裝該裝置在空預(yù)器轉(zhuǎn)子冷端隔板上，主要依靠密封裝置本身的重力進(jìn)行工作。密封裝置通過扇形板時(shí)，在轉(zhuǎn)子帶動(dòng)下，密封裝置與扇形板接觸并被壓縮，動(dòng)片繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，與扇形板形成無間隙密封順利通過扇形板，且動(dòng)片在高壓差以及高溫密封狀態(tài)下會(huì)發(fā)生一定程度的彈性變形；當(dāng)密封裝置離開扇形板時(shí)，重力式密封裝置在自身重力的作用下，恢復(fù)到自由垂直狀態(tài)。重力式機(jī)械密封裝置按照此循環(huán)周而復(fù)始的工作，重力密封裝置平面如下圖2所示。

圖2 重力式柔性密封裝置平面

2.2 柔性密封材料的選擇和性能測試

該重力式柔性密封裝置由固定片、轉(zhuǎn)軸、動(dòng)片、自潤滑金屬及配重組成。在該密封裝置當(dāng)中轉(zhuǎn)軸作為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)片作為與轉(zhuǎn)軸自潤滑金屬與配重的連接件，自潤滑金屬作為與扇形板的密封件，要充分考慮在密封過程中的磨損。對于材料選擇和性能測試，主要考慮以下幾點(diǎn)。

耐高溫性能：回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器在工作過程中需要承受高溫的環(huán)境，因此密封材料需要具備良好的耐高溫性能?？赏ㄟ^高溫?zé)岱€(wěn)定性測試、熱膨脹系數(shù)測試、熱變形溫度測試等手段對材料的耐高溫性能進(jìn)行評(píng)估。

耐腐蝕性能：回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器中，密封材料也需要承受一定的腐蝕環(huán)境，因此材料的耐腐蝕性能也需要得到評(píng)估。可通過浸泡試驗(yàn)、化學(xué)品測試等手段進(jìn)行評(píng)估。

密封性能：柔性密封的最主要作用是保證設(shè)備的密封性能。可通過壓縮變形測試、拉伸測試、壓縮回彈測試等手段對密封材料的密封性能進(jìn)行評(píng)估。

力學(xué)性能：密封材料在使用過程中，需要承受一定的拉伸和壓縮力，因此其力學(xué)性能也需要得到評(píng)估?？赏ㄟ^拉伸強(qiáng)度測試、抗壓強(qiáng)度測試、彈性模量測試等手段進(jìn)行評(píng)估。

綜合以上測試結(jié)果，所選擇的材料在具備優(yōu)異的性能，考慮其成本、可加工性和環(huán)保等因素的情況下，對該裝置測試分析后的材料參數(shù)見表1。

表1 重力式柔性密封裝置結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 有限元方法模擬仿真

3.1 基本方程概述

在對流固耦合的研究中，流動(dòng)通常被描述為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程的解。本文所涉及的基本方程描述了流體的運(yùn)動(dòng)和受到的各種力的影響，以下是本文所涉及的基本方程。

連續(xù)性方程描述了流體質(zhì)量守恒，表明在任何給定的點(diǎn)，流入該點(diǎn)的質(zhì)量流量必須等于流出該點(diǎn)的質(zhì)量流量，連續(xù)性方程可以用來計(jì)算流體密度的變化。以下是連續(xù)性方程微分表達(dá)式：

其中，ρ代表流體的密度，u代表x方向的速度分量，v代表y方向的速度分量，w代表z方向的速度分量，t是時(shí)間。

動(dòng)量方程描述了流體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性，其包含流體的慣性、黏性和外部力的影響，動(dòng)量方程可以用來計(jì)算流體的速度和壓力的變化。動(dòng)量方程微分表達(dá)式：

其中，p代表流體靜壓，τxx代表正應(yīng)力，τyx和τzx代表切向應(yīng)力，F(xiàn)x、Fy、Fz代表作用在體微元體上的外部體積力。

能量方程描述了流體的熱力學(xué)性質(zhì)，包含了流體的內(nèi)能、動(dòng)能和熱傳遞，能量方程可以用來計(jì)算流體的溫度和能量的變化。能量方程微分表達(dá)式：

其中，Tf代表流體的溫度，af代表流體的對流換熱系數(shù)，cf代表流體的比熱容，ST代表黏性耗散項(xiàng)。值得注意的是，流體在流動(dòng)和熱量交換過程中，能量方程是基本的控制方程，但該能量方程卻是以牛頓流體為研究對象，本文所研究的常溫空氣屬于牛頓流體。而對于非牛頓流體，應(yīng)該采用其他形式的能量方程。

3.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

該柔性重力式密封裝置主要布置在回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器底端與扇形板進(jìn)行密封連接，由于其具體尺寸較小，所以僅考慮密封裝置進(jìn)行有限元模擬仿真。在保證基本結(jié)構(gòu)與密封性不發(fā)生改變的情況下對原有模型進(jìn)行適當(dāng)簡化。采用ANSYS 中的Spaceclaim 模塊建立寬度為460mm 的重力式柔性密封裝置的流體域三維模型,流體域三維模型如圖3所示。

圖3 流體域三維模型

將所建立好的流體域模型導(dǎo)入ANSYSmeshing 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流體域及密封裝置網(wǎng)格如圖4所示，分別是在分析系統(tǒng)流體流動(dòng)中對流體域進(jìn)行的網(wǎng)格劃分以及在瞬態(tài)結(jié)構(gòu)中對固體柔性密封裝置進(jìn)行的網(wǎng)格劃分。

圖4 流體域及密封裝置網(wǎng)格

3.3 流固耦合邊界條件設(shè)置

在對流固耦合模型進(jìn)行有限元分析時(shí)，邊界條件的設(shè)置較為重要，設(shè)置不同的邊界條件將會(huì)影響最終的求解結(jié)果以及求解精度[8]。

首先，對于流體流動(dòng)的模型選取，選取k-湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。其次對流體流動(dòng)進(jìn)行流體材料設(shè)置，設(shè)置流體材料為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的25℃空氣，流體域入口采用10m/s 的速度入口邊界條件，流體域出口采用自由出流邊界條件，將流固耦合交界面設(shè)置為平滑動(dòng)網(wǎng)格。對于固體結(jié)構(gòu)設(shè)置，將固體材料設(shè)置含鉛合金，對密封裝置上端進(jìn)行固定支撐約束。完成邊界條件設(shè)置的流體計(jì)算域模型如圖5所示，固體計(jì)算域模型如圖6所示。

圖5 流體域計(jì)算模型

圖6 固體域計(jì)算模型

圖7 重力式柔性密封裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

該重力式柔性密封裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括動(dòng)片有效長度l、初始角度θ、自潤滑金屬厚度d1以及配重金屬厚度d2，如圖 7所示。

針對該柔性密封裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用控制變量法進(jìn)行研究，利用CFD 軟件多模塊對其進(jìn)行流固耦合分析，為保證模擬的準(zhǔn)確性，每次僅改變一個(gè)變量進(jìn)行研究分析。

針對作用于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器密封片表面的壓差載荷，文獻(xiàn)[9]在分析空預(yù)器隔倉壓差對柔性密封片強(qiáng)度和剛度的影響中將壓差作為均布?jí)簭?qiáng)施加到密封片上，卻未考慮到實(shí)際的流場對密封片的作用是復(fù)雜的，其結(jié)果存在一定的誤差。為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，采用流固耦合方式對柔性密封片進(jìn)行分析，分別得到在正常工況運(yùn)行狀態(tài)下密封裝置底端流場壓力云圖以及瞬態(tài)結(jié)構(gòu)整體總變形圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 底端流場壓力云

圖9 瞬態(tài)結(jié)構(gòu)整體總變形

4.1 有效動(dòng)片長度對密封性能影響

在保證該密封裝置其他變量不發(fā)生改變的前提下，選取5組不同有效長度的動(dòng)片進(jìn)行研究，動(dòng)片有效長度范圍28～36mm，分析5組不同有效長度下的柔性密封裝置底部等效應(yīng)力變化情況以及動(dòng)片最大變形情況，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 最大等效應(yīng)力變化隨有效長度變化

圖11 動(dòng)片最大型變量隨有效長度變化

由圖10和圖11分析可以得到，隨著動(dòng)片有效長度的增大，該柔性重力式密封裝置底部最大有效應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且隨著有效長度的逐漸增大，減小幅度逐漸放緩。而動(dòng)片的最大變形量隨著有效長度的逐漸增大呈現(xiàn)增長的趨勢，且隨有效長度的逐漸增大增長幅度逐漸增大。為保證最好的密封性，在保證底端最大應(yīng)力符合范圍的前提下，選取合適的動(dòng)片有效長度。

4.2 初始角度對密封性能影響

選取5組不同初始角度θ，角度變化范圍65°～85°，有效長度l、自潤滑金屬有效厚度d1以及配重金屬厚度d2保持不變，對其進(jìn)行流固耦合模擬和有限元分析，得到密封裝置底部最大等效應(yīng)力變化隨角度變化，如圖12所示。以及底部等效彈性應(yīng)變隨角度變化，如圖13所示。

圖12 最大等效應(yīng)力隨初始角度變化

圖13 最大等效彈性應(yīng)變隨初始角度變化

由圖12圖13和分析可以得到，隨之初始角度的逐漸增大，通過流固耦合分析發(fā)現(xiàn)底端最大等效應(yīng)力逐漸減小，且在角度處最大等效應(yīng)力最大，為340MPa。隨著初始角度的逐漸增大，底部接觸區(qū)域處最大等效應(yīng)變逐漸減小。造成變化原因主要是因?yàn)殡S著角度變化，底部與漏風(fēng)區(qū)域接觸面積和接觸角度發(fā)生了變化。

4.3 自潤滑金屬厚度d1及配重金屬厚度d2對密封性能影響

對于自潤滑金屬厚度的研究，在保證動(dòng)片有效長度l、初始角度θ以及配重金屬厚度d2不變的情況下進(jìn)行研究，其厚度范圍2～6mm，單位增長為1mm,分為Δ1～Δ5，5組數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。同理情況下，將配重金屬厚度同樣分為5組數(shù)據(jù)，其厚度范圍8～16mm,單位增長2mm，分別為Δ1～Δ5。分別對以上10組數(shù)據(jù)進(jìn)行流固耦合分析之后得到在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器內(nèi)部氣體高流速下密封裝置底端位移量隨金屬厚度變化如圖14所示。

圖14 底端位移量隨金屬厚度變化

由圖14可知，在高速氣體流動(dòng)下，隨著金屬厚度的增加，底端位移量逐漸減小，單位配重金屬增長對位移量的影響遠(yuǎn)大于自潤滑金屬的單位厚度增長，在滿足該密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，合理配置自潤滑金屬和配重金屬。

5 結(jié)語

一是針對回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器密封裝置的研究方法，首先本文對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行密封材料的選擇和性能測試，進(jìn)一步地采用有限元數(shù)值模擬的方法進(jìn)行可行性分析，通過材料測試與模擬相結(jié)合，充分考慮結(jié)構(gòu)、材料等多種因素選擇最合適的密封裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

二是在材料選擇上，不僅要保證材料需要達(dá)到的耐磨性、耐腐蝕性、彈性模量等，還要綜合考慮其成本，選出最優(yōu)材料。

三是通過流固耦合模擬分析，隨著回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的運(yùn)行，并不能保證“零漏風(fēng)”，通過改變?nèi)嵝悦芊庋b置的相關(guān)參數(shù)，會(huì)不同程度地減小漏風(fēng)率，保證回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的高效運(yùn)行。

四是綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、有限元分析結(jié)果、成本等因素，最終選取該柔性重力式密封裝置動(dòng)片有效長度l為32mm、初始角度θ為80°、自潤滑金屬厚度d1為4mm 以及配重金屬厚度d2為12mm。