摘要：傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封只可正向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動壓效應(yīng)，反向旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動壓效應(yīng)極小，為消除這一弊端，提出一種仿樹形槽，以增強干氣密封性能和穩(wěn)定性。對仿樹形結(jié)構(gòu)干氣密封進行研究，建立仿樹形槽和螺旋槽兩種模型，在ANSYS軟件中對密封端面流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：仿樹形槽的密封性能優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槽。考慮流場和密封端面的共同影響，對干氣密封開展流固耦合的模型分析，通過改變外界工況參數(shù)，探究動環(huán)的變形量和最大應(yīng)力值的變化情況，結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速和入口壓力的增大，兩種槽型的最大變形量和最大應(yīng)力值均增大，且仿樹形槽的最大變形量和最大應(yīng)力值始終大于傳統(tǒng)螺旋槽。

關(guān)鍵詞：干氣密封；仿樹形槽；密封環(huán)；螺旋槽；流固耦合

中圖分類號：TH136" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0041-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.012

0" " 引言

干氣密封相較于其他密封有著卓越的密封性，且具有極低的泄漏量、卓越的耐用性、低能耗以及高效的密封性能，同時能確保流體不遭受油污染，且其輔助密封系統(tǒng)簡潔而可靠[1]。干氣密封實際上是一種非接觸式機械密封[2]，與普通接觸式機械密封不同的是，干氣密封密封端面上的動環(huán)表面加工了流體動壓槽，在動環(huán)旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生動壓效應(yīng)，較普通機械密封來說，提高了密封性能。目前常見的流體動壓槽有螺旋槽、新型螺旋槽、T型槽、圓弧槽等[3-6]，根據(jù)是否對稱，槽型主要分為兩類：一類是單向旋轉(zhuǎn)槽，另一類是雙向旋轉(zhuǎn)槽[7]。近年來，為提高干氣密封的動壓性能，國內(nèi)外學(xué)者開始對雙向旋轉(zhuǎn)槽展開研究。

ETSION[8]最早對機械密封進行深入探討，為未來的干氣密封技術(shù)研究奠定了扎實的理論基礎(chǔ)。SEDY[9]首次提出了優(yōu)化干氣密封性能的策略。馬媛媛[10]探討了樅樹型槽在不同工況條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)下對密封性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果顯示，樅樹型槽干氣密封可實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生較佳的動壓效應(yīng)。莫隴剛[11]針對仿樹形槽和傳統(tǒng)螺旋槽，分別展開數(shù)值模擬計算，探究不同工況參數(shù)下的氣體模型流場，研究表明，仿樹形槽展現(xiàn)出了優(yōu)良的動壓效應(yīng)及優(yōu)異的密封特性。隨著ANSYS軟件的持續(xù)優(yōu)化與擴展，流固耦合的計算及研究已取得顯著成果，同時在工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也日益廣泛。流固耦合研究計算的優(yōu)勢在于，它不僅能夠大幅縮短研究時間，還能更精確地模擬實際工作場景。張偉政等人[4]對比了新型螺旋槽和傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封在流固耦合下動環(huán)和靜環(huán)的最大變形量和最大應(yīng)力值，結(jié)果表明，新型螺旋槽相較于傳統(tǒng)螺旋槽其最大形變和最大應(yīng)力數(shù)值均較高。李雪斌等人[5]針對T型槽結(jié)構(gòu)，開展流固耦合場的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，采用流固耦合模擬得到的最大變形量和用理論基礎(chǔ)計算出的結(jié)果接近。王坤[6]以T型槽為研究對象，對流固耦合場進行數(shù)值模擬分析。黃偉峰等人[2]構(gòu)建熱流固耦合計算模型，分析干氣密封性能，對氦氣干氣密封開展熱流固耦合分析，探討不同轉(zhuǎn)速與槽深如何作用于密封性能及相關(guān)參數(shù)的影響機制。

本文以仿樹形槽為研究對象，分別建立了傳統(tǒng)螺旋槽和仿樹形槽干氣密封模型，探究流固耦合下密封端面的動環(huán)變形量和應(yīng)力分布情況。

1" " 幾何結(jié)構(gòu)及端面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1" " 仿樹形槽干氣密封氣體模型

仿樹形槽端面結(jié)構(gòu)如圖1所示，其可實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，即正向和逆向旋轉(zhuǎn)，相較于傳統(tǒng)的螺旋槽來說，可應(yīng)用于需要雙向旋轉(zhuǎn)的實際環(huán)境中。

仿樹形槽由兩個動壓槽和一個與動壓槽相連接的直線槽組成，形狀像“樹”，故稱為仿樹形槽。氣體模型深度和槽深均為微米級別，為方便觀察其具體槽型結(jié)構(gòu)，圖2中仿樹形槽氣體模型的尺寸是沿軸向放大1 000倍的。

干氣密封動環(huán)上的微型槽在端面上呈周期性均勻分布，其形成的氣體模型排列方式與其相同，所以選取整個氣體模型的1/N為計算域即可（N為密封端面仿樹形槽的個數(shù)）。為方便觀察，將實際的氣體模型厚度和槽深沿軸向放大了1 000倍。

仿樹形槽結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，工況條件如表2所示。

1.2" " 流固耦合幾何模型

干氣密封密封端面中流體域和固體域的耦合模型如圖3所示，其中圖3（a）中固體域為仿樹形槽干氣密封動環(huán)模型，流體域為1.1章節(jié)中建立的仿樹形槽氣體模型；圖3（b）中固體域為螺旋槽干氣密封動環(huán)模型，流體域為螺旋槽氣體模型。

2" " 流固耦合基本方程

在流固耦合分析中，流體部分與固體部分并存，涉及的變量可分為流體變量與固體變量。因此，其基本方程可分為流體控制方程、固體控制方程以及流固耦合控制方程[12]。

2.1" " 流體控制方程

1）連續(xù)性方程：

式中：ux、uy、uz分別表示坐標軸x、y、z三個方向上的速度分量；t為時間；ρ為密度。

2）動量守恒定律：

+？犖·（ρuxu）=-+ρfx，+？犖·（ρuyu）=-ρfy，+？犖·（ρuzu）=-+ρfz （2）

式中：p代表流體微元體所受的壓力；τxx、τyx、τzx代表在黏性作用下，微單元體表面黏性應(yīng)力τ的分量；fx、fy、fz分別代表坐標軸x、y、z三個方向上的質(zhì)量力；u代表速度矢量。

2.2" " 固體控制方程

Ms+Cs+Ksds+τs=0" " " " " " " （3）

式中：Ms為質(zhì)量矩陣；Cs為阻尼矩陣；Ks為剛度矩陣；ds為固體的位移；τs為固體受到的應(yīng)力；為加速度；為速度。

2.3" " 耦合控制方程

在研究流固耦合問題時，耦合界面上的固體與流體部分應(yīng)該滿足相應(yīng)的方程：

τf ·nf =τs·ns" " " " " " " " "（4）

df=ds" " " "（5）

式中：τf代表流體的應(yīng)力；τs代表固體的應(yīng)力；df代表流體的位移；ds代表固體的位移；nf代表流體的法向矢量；ns代表固體的法向矢量。

3" " 求解方法及網(wǎng)格劃分

3.1" " 求解方法

將建立好的模型進行網(wǎng)格劃分，選擇層流模型，算法選擇SIMPLE。對壓力差值采用標準插值，對流項離散格式采用二階迎風格式，迭代精度設(shè)為1×10-5。

3.2" " 網(wǎng)格劃分

3.2.1" " 流體域網(wǎng)格劃分

計算機是基于網(wǎng)格的類型和數(shù)量對目標體進行識別分析的，網(wǎng)格的質(zhì)量和網(wǎng)格的數(shù)量直接影響最終的結(jié)果。對于網(wǎng)格的劃分，有不同的方式可以選擇，而三維氣體模型又是較復(fù)雜的模型，所以選擇劃分網(wǎng)格的方式是前處理的重點。建立仿樹形槽模型，這里的模型尺寸沿軸向放大1 000倍，建立好后在Mesh中進行網(wǎng)格劃分，將劃分好的模型導(dǎo)入Fluent中，在Scale中對劃分好的網(wǎng)格模型沿軸向縮小為原來的1/1 000。

3.2.2" " 密封環(huán)網(wǎng)格劃分

根據(jù)不同的情況選擇適合幾何模型的網(wǎng)格劃分方法，可以提高網(wǎng)格的精度，獲得精度較高的計算結(jié)果。本文中的流固耦合模型在網(wǎng)格劃分時要分區(qū)域進行，即動環(huán)模型設(shè)定網(wǎng)格密度，固體域和流體域接觸的耦合面要設(shè)定網(wǎng)格加密。

3.3" " 邊界條件設(shè)定

仿樹形槽氣體模型在干氣密封密封端面上是周期均勻分布的，且滿足壓力周期性條件：

Pθ=0=Pθ=α" " " " " " " （6）

式中：Pθ=0為起始端點壓力；Pθ=α為上周期終點壓力。

圖4所示為仿樹形槽單周期氣體模型示意圖。在網(wǎng)格中對計算域進行定義并設(shè)定周期性邊界，其中A、B為計算域的周期邊界。

3.4" " 材料選擇

鑒于干氣密封所處的環(huán)境條件較為嚴苛，壓力較大，一般而言，靜環(huán)材料如石墨、動環(huán)材料如碳化硅在高壓環(huán)境下長期運行存在局限性，并考慮到干氣密封在剛啟動和停止的過程中會出現(xiàn)瞬間的干摩擦，為了減少摩擦，動靜環(huán)材質(zhì)選擇碳化鎢，具體的物性參數(shù)如表3所示。

4" " 流固耦合結(jié)果及分析

4.1" " 應(yīng)力分析

如圖5所示，對仿樹形槽干氣密封和螺旋槽干氣密封動環(huán)的應(yīng)力分布進行分析。在兩種槽中，最大的應(yīng)力均出現(xiàn)在與動環(huán)相對應(yīng)的氣膜槽的根部位置。

在干氣密封運作時，取入口壓力為4.58 MPa、出口壓力為0.1 MPa、轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、入口溫度為30 ℃、氣體模型厚度為2 μm、槽數(shù)為12、槽深為6 μm，仿樹形槽和螺旋槽動環(huán)受到的應(yīng)力分布情況如圖5所示，仿樹形槽的最大應(yīng)力為43.289 MPa，螺旋槽的最大應(yīng)力為42.871 MPa，仿樹形槽動環(huán)上的應(yīng)力比螺旋槽多0.418 MPa，可知仿樹形槽動環(huán)的壓力大于螺旋槽動環(huán)的壓力，這是因為仿樹形槽有兩個動壓槽，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

4.2" " 變形分析

圖6所示為仿樹形槽干氣密封和傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封動環(huán)的變形情況。

在探究兩種槽型的變形分布情況時，仍取入口壓力為4.58 MPa、出口壓力為0.1 MPa、轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、入口溫度為30 ℃、氣體模型厚度為2 μm、槽數(shù)為12、槽深為6 μm。如圖6可知，仿樹形槽動環(huán)的最大變形量為0.387 1 μm，而螺旋槽動環(huán)的最大變形量為0.368 3 μm，仿樹形槽的變形量大于螺旋槽的變形量。

4.3" " 工況參數(shù)的影響

4.3.1" " 轉(zhuǎn)速對流固耦合應(yīng)力的影響

圖7所示為不同入口轉(zhuǎn)速下仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環(huán)的最大應(yīng)力值的變化情況。

由圖7可知，當轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時，仿樹形槽的最大應(yīng)力值為43.2 MPa，螺旋槽的最大應(yīng)力值為42.8 MPa，兩種槽型的最大應(yīng)力差值為0.4 MPa。當轉(zhuǎn)速為200 000 r/min時，仿樹形槽的最大應(yīng)力值為43.7 MPa，螺旋槽的最大應(yīng)力值為43.6 MPa，兩種槽型的最大應(yīng)力差值為0.1 MPa，可知仿樹形槽的變化量大于螺旋槽的變化量。當動環(huán)的轉(zhuǎn)速不斷提高，兩種槽型的最大應(yīng)力值也隨之提高。這是因為動環(huán)的轉(zhuǎn)速提高，氣體模型的轉(zhuǎn)速也隨之提高，氣體模型的離心力也會變大，導(dǎo)致離心效應(yīng)更加明顯，從而增大動環(huán)的應(yīng)力，提高干氣密封的密封性能。

4.3.2" " 入口壓力對流固耦合應(yīng)力的影響

圖8所示為不同入口壓力下仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環(huán)的最大變形量的變化情況。

由圖8可知，不改變出口壓力，不斷增加入口壓力，仿樹形槽和螺旋槽動環(huán)上的表面應(yīng)力也線性增長，該規(guī)律和轉(zhuǎn)速對應(yīng)力的影響相似。當入口壓力為1 MPa時，仿樹形槽動環(huán)的表面應(yīng)力為38.26 MPa，螺旋槽動環(huán)表面壓力為37.46 MPa。當入口壓力為9 MPa時，仿樹形槽動環(huán)的表面應(yīng)力為49.97 MPa，螺旋槽動環(huán)表面壓力為49.37 MPa。仿樹形槽動環(huán)的表面應(yīng)力始終略大于螺旋槽的表面應(yīng)力。

4.3.3" " 轉(zhuǎn)速對流固耦合變形的影響

圖9所示為不同轉(zhuǎn)速下仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環(huán)的最大變形量的變化情況。

由圖9可知，當轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時，仿樹形槽的最大變形量為0.387 μm，螺旋槽的最大變形量為0.367 μm。當轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時，仿樹形槽的最大變形量為0.390 μm，螺旋槽的最大變形量為0.371 μm，隨著轉(zhuǎn)速的提升，兩種不同槽型結(jié)構(gòu)的動環(huán)形變并未顯著增大。仿樹形槽和螺旋槽干氣密封動環(huán)的最大變形量均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，且仿樹形槽動環(huán)的變形量始終大于螺旋槽動環(huán)的變形量，最大變形量都發(fā)生在兩種槽的槽根部分。

4.3.4" " 入口壓力對流固耦合變形的影響

圖10所示為不同入口壓力下仿樹形槽和螺旋槽動環(huán)的最大變形量的變化情況。

由圖10可知，當入口壓力為1 MPa時，仿樹形槽動環(huán)的最大變形量為0.342 μm，螺旋槽的最大變形量為0.327 μm。當入口壓力為9 MPa時，仿樹形槽動環(huán)的最大變形量為0.445 μm，螺旋槽的最大變形量為0.425 μm。兩種槽型的動環(huán)變形量隨入口壓力提高，變化明顯?？梢姰斎肟趬毫μ岣邥r，密封環(huán)的變形量也隨之呈現(xiàn)線性增長的趨勢。同時，仿樹形槽動環(huán)的最大變形量略大于螺旋槽的最大變形量。

5" " 結(jié)論

本文建立了仿樹形槽和傳統(tǒng)螺旋槽模型，基于這兩種模型對干氣密封進行流固耦合分析，主要結(jié)論如下：

1）仿樹形槽干氣密封能實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，較傳統(tǒng)螺旋槽能產(chǎn)生更明顯的動壓效應(yīng)。

2）在確保結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況條件不變的前提下，仿樹形槽動環(huán)的最大應(yīng)力值大于傳統(tǒng)螺旋槽動環(huán)的最大應(yīng)力值，且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在兩種槽型槽根部位。在比較仿樹形槽干氣密封動環(huán)與傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封動環(huán)時，發(fā)現(xiàn)前者的最大形變超過了后者，且在槽根區(qū)域出現(xiàn)了最大形變。

3）仿樹形槽動環(huán)和螺旋槽動環(huán)的最大應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的增大而單調(diào)增大，隨入口壓力的增加而呈現(xiàn)線性增長的趨勢。仿樹形槽動環(huán)和螺旋槽動環(huán)的最大變形量隨轉(zhuǎn)速增大而逐漸增大，隨入口壓力的增加而增加。

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收稿日期：2024-04-18

作者簡介：帥夢瀟（2000—），女，四川青神人，碩士研究生，研究方向：機械密封技術(shù)及理論。