丁雪興 王晶晶 張偉政 陸俊杰2 陳金琳

(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050;2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 浙江寧波 315010)

隨著制造業(yè)和工業(yè)化進(jìn)程的不斷完善，軸端密封的旋轉(zhuǎn)機(jī)械不斷突破設(shè)計(jì)工況，逐步向極端工況發(fā)展，這對(duì)密封更是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的迷宮密封、刷式密封中，由于氣流的激振、密封件自身的磨損和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)易發(fā)生干磨等因素，導(dǎo)致密封泄漏量增大、穩(wěn)定性極差、壽命極短。因此研究人員提出了一種新型的柱面螺旋槽干氣密封，該密封具有泄漏少、磨損小、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)[1-4]。

對(duì)于柱面氣膜密封的研究，ZHANG等[5]在浮環(huán)密封上開(kāi)設(shè)了槽形結(jié)構(gòu)并分析了其穩(wěn)定性和碰磨情況，結(jié)果表明開(kāi)槽要比無(wú)槽好。MELNIK[6]研究了柱面密封的性能參數(shù)并提出一種具有更高的計(jì)算速度和精度的計(jì)算思想。KE等[7]研究了不同的密封條件對(duì)高速球軸承內(nèi)流場(chǎng)的影響。XU等[8]提出了一種新型的預(yù)測(cè)液體環(huán)形密封動(dòng)態(tài)特性的瞬態(tài)CFD方法，并同時(shí)計(jì)算了不同長(zhǎng)度的液體環(huán)形密封件的動(dòng)態(tài)特性。ASHTON[9]測(cè)量了高溫和軸表面速度為26 m/s時(shí)的混合刷式密封中的泄漏量和壓差，結(jié)果優(yōu)于類(lèi)似大小的傳統(tǒng)迷宮密封；而且隨著溫度的升高，迷宮密封的泄漏減少，因?yàn)槠溟g隙由于部件的熱增長(zhǎng)而改變。ZHANG等[10]提出了一種新的徑向環(huán)形密封，減小了流體泄漏損失和流體誘導(dǎo)力，且和傳統(tǒng)的迷宮密封相比，其泄漏方向由軸向改為徑向。丁雪興等[11]用PH線性化方法求得了氣體壓力的近似解析解，并用MATLAB軟件得到了氣膜壓力分布。陸俊杰[12]從理論計(jì)算和試驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面對(duì)單列螺旋槽、單列一字平行槽、雙列人字螺旋槽和雙列一字平行槽的氣膜的潤(rùn)滑特性進(jìn)行了研究。潘康毅等[13]運(yùn)用差分法參考徑向軸承動(dòng)潤(rùn)滑理論探究了密封長(zhǎng)度-油液黏度和密封間隙對(duì)浮環(huán)密封性能的影響。馬利軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，相比于整體石墨環(huán)，高溫鑲裝式浮環(huán)密封更有利于調(diào)整徑向間隙且過(guò)盈量對(duì)其間隙影響較小。

對(duì)于變形的研究，丁雪興等[15]采用有限元ANSYS軟件，對(duì)螺旋槽干氣密封補(bǔ)償環(huán)進(jìn)行了力變形分析。趙芳等人[16]對(duì)干氣密封的靜環(huán)做了力變形分析研究。扈中平[17]在流固耦合的條件下對(duì)低溫干氣密封的動(dòng)靜環(huán)分別進(jìn)行了熱變形和力變形的研究。黃思等人[18]對(duì)IS100-65-200型單級(jí)離心泵的葉輪、螺母和軸等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了單向流固耦合分析。程香平等[19]研究了大菱形孔端面密封環(huán)的變形，并計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)及不同操作工況條件下密封環(huán)的摩擦扭矩、液膜剛度及泄漏率。湯赫男等[20]采用流固耦合方法分析了齒形角對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)迷宮密封內(nèi)部流場(chǎng)及密封性能的影響。袁瑋瑋等[21]利用流固耦合方法對(duì)螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部流場(chǎng)和力變形進(jìn)行了分析。

綜上所述：柱面密封的研究多數(shù)集中于數(shù)值求解的方法，針對(duì)端面的變形研究已經(jīng)獲得了大量成果，但是考慮高壓下柱面浮環(huán)的變形卻很少見(jiàn)，因此高壓下浮環(huán)變形的研究對(duì)柱面氣膜密封的發(fā)展具有重大的意義。本文作者采用Solidworks建模軟件建立了流固耦合模型，然后針對(duì)柱面螺旋槽氣膜的特殊性，利用精度較高的ICEM結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分；隨后采用仿真軟件Fluent對(duì)氣膜流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；最后通過(guò)ANSYS Workbench的靜力學(xué)分析軟件Static Structure將流場(chǎng)求得的壓力耦合到浮環(huán)固體面上進(jìn)行力變形求解，并進(jìn)行浮環(huán)參數(shù)與工況之間的變化討論。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

柱面螺旋槽干氣密封由浮動(dòng)環(huán)、軸、軸套、密封支座、定位銷(xiāo)、壓緊彈簧等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸與軸承相連，軸套過(guò)盈配合在轉(zhuǎn)軸上，與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。浮環(huán)安裝在密封支座腔體內(nèi)部，與軸套形成微間隙。

圖1 柱面螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of cylinder spiral groove dry gas seal

根據(jù)柱面密封的結(jié)構(gòu)和工作原理可知浮環(huán)的受力情況，如圖2所示。浮環(huán)一端被定位銷(xiāo)固定，另一端受到彈簧力Fs，浮環(huán)內(nèi)側(cè)受到氣膜反力F，浮環(huán)外側(cè)受到介質(zhì)壓力p。

圖2 浮環(huán)受力圖Fig 2 Force diagram of floating ring

1.2 氣膜流域

利用建模軟件Solidworks分別對(duì)浮環(huán)和軸套進(jìn)行實(shí)體模型的創(chuàng)建，然后進(jìn)行偏心安裝，形成流固耦合計(jì)算模型，如圖3所示。模型參數(shù)如表1所示。在浮環(huán)與軸套之間形成一層極薄氣膜，這層氣膜反映了密封的潤(rùn)滑性能、摩擦性能等，氣膜體現(xiàn)了密封的整體工作狀態(tài)，建議抽取流域進(jìn)行分析，在流域中反應(yīng)了槽形、偏心和結(jié)構(gòu)。因此將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench的DM軟件中，將浮環(huán)軸套模型四周封閉，使用Fill命令中的By Gaps進(jìn)行氣膜流道抽取，抽取到的微間隙氣膜如圖3所示。

圖3 流固耦合模型及氣膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3 Fluid-solid coupling model and gas film structure diagram

名稱數(shù)值軸套外半徑R/mm29.2槽深h/mm8槽寬比B1∶1槽數(shù)n16螺旋角α/(°)30密封寬度L/mm40偏心率ε0.7螺旋槽槽長(zhǎng)Lc/mm26軸套內(nèi)半徑r/mm27氣膜平均間隙hc/μm15浮環(huán)厚度d/mm4

2 網(wǎng)格的劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分

柱面螺旋槽氣膜結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，橫縱尺度跨度較大，并有偏心，最薄的區(qū)域只有幾微米，因此網(wǎng)格劃分有以下難點(diǎn)：

(1)有偏心,不滿足周期性規(guī)律，需整體劃分；

(2)螺旋線扭曲程度較大，為保證網(wǎng)格質(zhì)量需進(jìn)行切塊處理；

(3)螺旋槽氣膜極薄，導(dǎo)入ICEM后需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行幾何拓?fù)湫扪a(bǔ)；

(4)由于模型需切224個(gè)block提高網(wǎng)絡(luò)精度，需要建大量的輔助線來(lái)完成Block的映射，因此，需采用ICEM結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格方法進(jìn)行劃分。

采用ICEM結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分方法雖然工作量較大，但是解決了計(jì)算過(guò)程中的不收斂問(wèn)題，而且大大提高了計(jì)算精度。

具體過(guò)程如下：

(1)沿一個(gè)螺旋槽型在外氣膜上利用面建一個(gè)block，將其切成4塊，再把對(duì)應(yīng)的非槽區(qū)的block拉伸出去，如圖4(a)所示。

(2)將建立好的5塊block進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，但是由于偏心的影響，旋轉(zhuǎn)出來(lái)的block節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法對(duì)應(yīng)，則需要采取合并節(jié)點(diǎn)處理，合并完節(jié)點(diǎn)的block模型如圖4(b)所示。

圖4 氣膜block劃分示意圖Fig 4 Block partition diagram of gas film(a)single slot block；(b)integral film block

(3)分別將槽區(qū)對(duì)應(yīng)的64塊block拉伸出去與槽區(qū)的幾何進(jìn)行關(guān)聯(lián)，由于模型切塊的較小，為了更好地提高網(wǎng)格映射質(zhì)量，需要所有block的每條edge都能映射到幾何體上，因此需要對(duì)幾何體進(jìn)行輔助線的建立，如圖5(a)所示。

(4)最后對(duì)block的每條edge設(shè)立合適的節(jié)點(diǎn)數(shù)即可生成氣膜網(wǎng)格，如圖5(b)所示。

圖5 氣膜網(wǎng)格劃分示意圖Fig 5 Gas film mesh partition diagram (a)auxiliary line diagram；(b)grid diagram

生成的網(wǎng)格通過(guò)Pre-mesh Quality進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上且無(wú)負(fù)體積網(wǎng)格。

固體域浮環(huán)則采取ANSYS Workbench自帶網(wǎng)格劃分軟件mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了對(duì)流場(chǎng)域和固體域進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，現(xiàn)分別劃分不同的網(wǎng)格數(shù)，計(jì)算流場(chǎng)的最大壓力值和浮環(huán)最大變形。各參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

根據(jù)3種不同疏密程度的網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮該模型復(fù)雜性，為了在不改變計(jì)算精度的條件下，提高模擬計(jì)算的效率，縮短計(jì)算時(shí)間，文中采用的流體網(wǎng)格數(shù)量為2 460 672，固體域網(wǎng)格數(shù)量為158 225。

3 邊界條件

邊界條件如圖6所示。入口壓力為1 MPa，出口壓力為0.1 MPa，Moving-wall的轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。采用SIMPLE算法，速度采用無(wú)滑移邊界條件。控制方程采用二階迎風(fēng)離散格式。

圖6 邊界條件示意圖Fig 6 Schematic diagram of boundary conditions

4 結(jié)果與討論

4.1 氣膜的壓力和速度分析

壓力和速度矢量分布云圖如圖7和圖8所示。

由圖7可知：只有氣膜最薄區(qū)才出現(xiàn)了明顯的壓力上升，而在氣膜較厚的區(qū)域沒(méi)有明顯的壓力上升；同時(shí)，氣膜最薄區(qū)，隨著氣流流向槽根徑，壓力逐漸增大，并在槽根徑處壓力最大，最大壓力為1.165 MPa。由于偏心和螺旋槽的共同作用，隨著轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，密封介質(zhì)被泵吸到螺旋槽內(nèi)，加之偏心產(chǎn)生的收斂不均，從而導(dǎo)致在氣膜最薄處產(chǎn)生了動(dòng)壓效應(yīng)。另一方面，由于槽區(qū)和非槽區(qū)存在臺(tái)階，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，壓力逐漸下降。

由圖8可知：流體沿著逆時(shí)針?lè)较蛟谧鲋芟蜻\(yùn)動(dòng)；在氣膜最薄處，流速最小，壓力最大，說(shuō)明能量耗散，產(chǎn)生明顯的壓降，從而導(dǎo)致了壓力在槽底部達(dá)到最大。

圖7 氣膜壓力云圖Fig 7 Film pressure clouds

圖8 氣膜速度矢量云圖Fig 8 Film velocity vector clouds

4.2 浮環(huán)強(qiáng)度分析

浮環(huán)材料采用的是石墨，具體材料物性參數(shù)如表3所示。

表3 浮環(huán)的材料參數(shù)

4.2.1 邊界條件確定

設(shè)置浮環(huán)邊界條件如圖9所示：浮環(huán)在與軸套同側(cè)開(kāi)槽處采用fixed完全固定，F(xiàn)S為彈簧力，約為0.5 MPa，F(xiàn)為氣膜壓力，p為介質(zhì)壓力。

圖9 浮環(huán)邊界條件示意圖Fig 9 Drawing of boundary conditions of floating ring

4.2.2 浮環(huán)變形

計(jì)算得到的1 MPa介質(zhì)壓力下浮環(huán)變形情況如圖10所示。

圖10 浮環(huán)變形Fig 10 Floating ring deformation

可以看出：浮環(huán)的變形主要表現(xiàn)為沿徑向的擠壓變形，軸向變形相對(duì)來(lái)說(shuō)比較?。谎刂鴼饬髁鲃?dòng)的方向，變形量逐漸在增大；浮環(huán)的最大變形出現(xiàn)在浮環(huán)的外邊緣處，主要發(fā)生的是擠壓變形，最大變形量約為0.019 mm。這是因?yàn)樵谧畲笞冃翁幜鲌?chǎng)壓力最低，流場(chǎng)壓力和介質(zhì)壓力間較大的壓差導(dǎo)致嚴(yán)重的擠壓變形，最大變形量已經(jīng)超過(guò)密封時(shí)平均氣膜厚度0.015 mm。可見(jiàn)流場(chǎng)的變化對(duì)浮環(huán)的變形有一定的影響，進(jìn)而影響著整個(gè)柱面螺旋槽干氣密封系統(tǒng)的密封性能。

由圖11所示的應(yīng)力分布可以看出：1 MPa介質(zhì)壓力下在浮環(huán)外邊緣處，應(yīng)力普遍較大，浮環(huán)的最大Von-mises應(yīng)力約為10.6 MPa。浮環(huán)的材料石墨為脆性材料，抗壓強(qiáng)度σb=195 MPa，名義屈服強(qiáng)度σs=0.25σb，得σs=47.85 MPa，取安全系數(shù)nb=2.5，滿足強(qiáng)度要求。浮環(huán)的最大Von-mises應(yīng)力主要出現(xiàn)了兩處：一處出現(xiàn)在定位銷(xiāo)安裝的地方，主要是因?yàn)閼?yīng)力集中的影響，第二處出現(xiàn)在浮環(huán)的最大變形處，主要是因?yàn)榇颂幋嬖谳^大壓差。

圖11 浮環(huán)應(yīng)力分布Fig 11 Stress distribution of floating ring

4.2.3 不同介質(zhì)壓力下的浮環(huán)變形分析

為了研究在不同介質(zhì)壓力下浮環(huán)的變形情況，現(xiàn)取轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、出口壓力為0.1 MPa、彈簧力為0.5 MPa，對(duì)介質(zhì)壓力為1～5 MPa下的變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，得到的結(jié)果如圖12所示。圖中還示出了5 MPa時(shí)浮環(huán)變形情況。

圖12 不同介質(zhì)壓力下浮環(huán)最大變形和應(yīng)力分布Fig 12 Maximum deformation and stress distribution of floating ring under different media pressure

由圖12可知：隨著介質(zhì)壓力的不斷增大，浮環(huán)的最大變形量和最大應(yīng)力值呈線性增大，從1 MPa到5 MPa介質(zhì)壓力每增加1 MPa最大變形量增幅分別為50%、34%、25%、20%。對(duì)比圖12和圖10，隨著介質(zhì)壓力不斷增大，浮環(huán)大變形的范圍在逐漸擴(kuò)大，最大變形由一處變?yōu)閮商?，且逐漸變?yōu)檠卣麄€(gè)流體出口的方向都受到大變形擠壓。此時(shí)由于浮環(huán)的大變形已經(jīng)超過(guò)了密封時(shí)最厚氣膜厚度0.025 5 mm，很容易導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的軸套被卡死再無(wú)法進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)導(dǎo)致浮環(huán)和轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，甚至引起浮環(huán)碎裂等惡劣影響，因此，浮環(huán)的大變形嚴(yán)重影響了柱面密封系統(tǒng)的穩(wěn)定性和密封性能。

4.2.4 不同轉(zhuǎn)速下的浮環(huán)變形分析

為了研究在不同轉(zhuǎn)速下浮環(huán)的變形情況，現(xiàn)取介質(zhì)壓力為1 MPa、出口壓力為0.1 MPa、彈簧力為0.5 MPa，計(jì)算了30 000、50 000、70 000、90 000 r/min 4組轉(zhuǎn)速下的浮環(huán)變形和應(yīng)力，結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下浮環(huán)最大變形和應(yīng)力分布Fig 13 Maximum deformation and stress distribution of floating ring at different rotational speed

由圖13可知：隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，浮環(huán)的最大變形量和最大應(yīng)力值不斷增大。從圖12可看出，介質(zhì)壓力每增加1 MPa，變形量至少約增加0.01 mm，而從圖13可看出轉(zhuǎn)速每增加20 000 r/min，變形量約增加0.007 mm?？梢?jiàn)浮環(huán)的變形主要受介質(zhì)壓力的影響，而轉(zhuǎn)速的影響相對(duì)較小。這是由于，密封的變形主要是力變形，而轉(zhuǎn)速只能影響氣膜壓力的變化，無(wú)法直接改變密封的腔體壓力，因此密封系統(tǒng)的變形主要來(lái)自于介質(zhì)壓力。

5 結(jié)論

(1)在氣膜最薄區(qū)的動(dòng)壓效應(yīng)最為明顯，同時(shí)臺(tái)階產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致出口的壓力下降趨勢(shì)明顯大于從氣流入口到螺旋槽根徑的壓力上升趨勢(shì)。

(2)浮環(huán)的變形主要表現(xiàn)為沿徑向的擠壓變形，軸向變形相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。最大變形出現(xiàn)在流場(chǎng)壓力最小的地方。

(3)隨著介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速的不斷增加，浮環(huán)的最大變形量及應(yīng)力值也呈線性規(guī)律增大，而且最大變形主要受介質(zhì)壓力的影響。

(4)文中只考慮了力對(duì)浮環(huán)變形的影響，然而在密封腔內(nèi)由于氣體攪拌和黏性剪切會(huì)產(chǎn)生大量的熱，因此還需考慮熱對(duì)變形的影響，這將是下一步研究的方向。