祁惠珍，趙芳，王紅玉，馮靜，韋小兵

工藝與裝備

液氣比對油氣兩相動壓端面密封性能影響

祁惠珍，趙芳，王紅玉，馮靜，韋小兵

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730060）

針對一定液氣比（0.1～0.3）下油氣兩相動壓密封，利用幾何軟件建模并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將計算域?qū)隖luent計算，分析液氣比對密封性能的影響。結(jié)果表明：液氣比越高，端面流體的動壓效應(yīng)越強，動壓密封的氣體泄漏量隨著液氣比的增大而降低，液體泄漏量隨著液氣比的增大而增大，開啟力和流體膜剛度都隨著液氣比的增大而增大。

油氣兩相；液氣比；動壓密封性能

目前，國外已經(jīng)研究出應(yīng)用于航空發(fā)動機高速軸承腔兩相混合潤滑下的非接觸動壓密封[1]。國內(nèi)對純氣膜和液膜的動壓密封比較成熟[2-7]。在氣液兩相動壓密封方面，李小芬[8]等分析了液氣比對密封性能的影響，結(jié)果表明，在相同的膜厚下，液滴增強了端面流體動壓效應(yīng)，端面密封間隙、摩擦功耗和質(zhì)量泄漏率隨液氣比的增加而增加，體積泄漏率隨液氣比的增加而減少，剛度隨液氣比的增加先增加后降低，存在最大值。李歡[9]等分析密封性能參數(shù)隨兩相密封動壓槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，結(jié)果表明，在恒定轉(zhuǎn)速、壓差和閉合力條件下，通過調(diào)整各結(jié)構(gòu)參數(shù)均可獲得最大工作膜厚，流體膜剛度隨著螺旋角和槽深的增大而減小，氣體泄漏率和液體泄漏率隨密封槽結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律相同，且變化規(guī)律與工作膜厚相同。

本文通過Fluent對油氣兩相動壓密封性能進行分析，研究液氣比對密封性能的影響，為氣液混合潤滑密封提供理論依據(jù)。

1 油氣兩相動密封工作原理

動壓密封采用動環(huán)端面外側(cè)開槽的密封結(jié)構(gòu)，密封運轉(zhuǎn)時，高壓介質(zhì)從外側(cè)進入密封端面動壓槽區(qū)，如圖1所示。進入槽區(qū)的介質(zhì)由于螺旋槽的存在隨著螺旋槽一起旋轉(zhuǎn)。當流體運動到螺旋槽根部時，由于存在階梯效應(yīng)，產(chǎn)生高壓區(qū)，密封端面開啟，形成動壓密封。

式中：g—槽根半徑，mm；

—螺旋線轉(zhuǎn)角；

—螺旋角。

圖1 動壓密封原理

密封參數(shù)1所示，氣膜厚度為3 μm。

表1 密封參數(shù)

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

在ICEM中檢查網(wǎng)格質(zhì)量，最后輸出網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent計算。網(wǎng)格結(jié)果如圖2所示。

2.2 邊界條件

模型的邊界條件如圖3所示，其中Top-surface為螺旋槽旋轉(zhuǎn)壁面，Bottom-surface為靜止壁面，A1、A2、B1、B2分別為周期邊界，即壓力的周期性邊界條件：

式中：Ng為動壓槽個數(shù)。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 密封端面壓力場分布

計算得到不同液氣比下的壓力場分布如圖4所示。

由圖4可以看出，端面間隙氣液兩相流體都產(chǎn)生了明顯的動壓效應(yīng)，其中最大壓力值出現(xiàn)在螺旋槽根部處。液氣比越高，端面流體的壓力值越大，端面流體的動壓效應(yīng)越強。

圖4 密封端面壓力場分布

3.2 密封端面體積分數(shù)分布

對于油氣兩相動壓密封，端面上兩相的分布狀態(tài)對密封性能有重大影響。分析在相同參數(shù)下，密封端面兩相的體積分數(shù)如圖5所示。

由圖5可以看出，液體在密封端面分區(qū)域分布，在螺旋槽根部區(qū)域附近的液體含量最高，主要是由于液體比氣體的黏度高，容易泵入到較窄的根部區(qū)域，并且由于螺旋槽根部密封壩的阻礙作用使液體在螺旋槽根部區(qū)域聚集，這與文獻[10]所得出的結(jié)論一致。

圖5 密封端面兩相分布

3.3 液氣比對動壓密封性能的影響

由圖6（a）泄漏量隨液氣比的變化可以看出，動壓密封的氣體泄漏量隨著液氣比的增大而降低，這是由于液體在螺旋槽根部區(qū)域聚集對氣體運動起到阻礙作用，液氣比越大，阻礙作用越強，氣體泄露量越低。液體泄漏量隨著液氣比的增大而增大，基本呈線性變化，這是由于液氣比增加，端面的液體含量增大，泄漏到內(nèi)徑側(cè)的液體量增大。

由圖6（b）開啟力隨液氣比的變化可以看出，開啟力隨著液氣比的增大而增大，主要是由于隨著液氣比的增加，端面流場壓力增大。

由圖6（c）流體膜剛度隨液氣比的變化可以看出，流體膜剛度隨著液氣比的增大而增大，主要是由于液氣比越高，端面流場壓力越大，動壓效應(yīng)越強。

圖6 液氣比對動壓密封性能的影響

4 結(jié) 論

1）液氣比越高，端面流體的壓力值越大，端面流體的動壓效應(yīng)越強。

2）動壓密封的氣體泄漏量隨著液氣比的增大而降低，液體泄漏量隨著液氣比的增大而增大，開啟力隨著液氣比的增大而增大，流體膜剛度隨著液氣比的增大而增大。

［1］胡廣陽. 航空發(fā)動機密封技術(shù)應(yīng)用研究[J].航空發(fā)動機，2012，38（3）：1-4.

［2］許恒杰，宋鵬云，余建平.靜壓氣體潤滑機械密封性能分析[J].潤滑與密封，2013，38（8）：41-45.

［3］胡松濤，黃偉峰，劉向鋒等.螺旋槽干氣密封穩(wěn)態(tài)特性分析模型的對比研究[J].機械工程學報，2017，53（23）：7-13.

［4］WANG Q,CHEN H L,LIU T, et al. Research on performance of upstream pumping mechanical seal with different deep spiral groove[C].Proceedings of IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,2012．

［5］彭旭東，江錦波，白少先，等.中低壓干氣密封螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].化工報，2014，65（11）：45-36.

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［7］ZHENG Y. Numerical simulation and characteristics analysis of the turbine shaft end spiral groove mechanical seal[C].International Conference on Digital Manufacturing＆Automation,2012.

［8］李小芬，蔡紀寧，張秋翔，等.低液氣比混合潤滑下的動壓密封性能分析[J].潤滑與密封，2016，41（4）：41-44.

［9］李歡，李雙喜，李小芬，等.油氣兩相動壓密封端面結(jié)構(gòu)多參數(shù)正交優(yōu)化及試驗研究[J].北京化工大學學報（自然科學版），2017，44（1）：76-84.

［10］李小芬.高速氣液兩相動壓式密封性能研究[D].北京：北京化工大學，2016.

Effect of Liquid-Gas Ratio on the Sealing Performance of Oil-Gas Two-phase Dynamic Pressure End Face

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（Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology, Lanzhou Gansu 730060, China）

For a certain liquid-gas ratio (0.1～0.3) under two phase of oil and gas dynamic pressure seal, the model was created using geometric software,and the structured grid was divided. Then computational domain was calculated by Fluent. The effect of liquid-gas ratio on the sealing performance was analyzed. The results showed that, the higher the liquid-gas ratio,the stronger the dynamic pressure effect of end-face fluid, the gas leakage of dynamic pressure sealing reduced with the increasing of liquid-gas ratio,the liquid leakage increased with the increasing of liquid-gas ratio, the opening force and fluid film stiffness increased with the increasing of liquid-gas ratio.

Oil-gas two-phase; Liquid-gas ratio; Dynamic pressure sealing performance

2020年甘肅省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，油氣兩相流端面密封性能研究（項目編號：S202010838017）。

2020-12-18

祁惠珍（1998-），女，甘肅省蘭州市人，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院石油化工生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)在校學生。

趙芳（1983-），女，回族，講師，碩士研究生，研究方向：流體密封技術(shù)。

TQ051

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1004-0935（2021）06-0792-04