基于CFD的螺旋槽干气密封气膜刚度的计算.pdf

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1、第37卷第4期化工机械469基于CFD的螺旋槽干气密封气膜刚度的计算+富影杰特丁雪兴张静(兰州理工大学)吴振宁(大庆输油气分公司)俞树荣(兰州理工大学)摘要应用Gambit软件建立三维螺旋槽干气密封模型，并对其进行网格划分。在相同特定工况下，运用Fluent软件对6种不同气膜厚度的螺旋槽干气密封内部微间隙三维流场进行数值模拟，得到其流场的压力分布及径向压力分布。通过不同厚度的气膜所产生的动压来获得它们的气膜推力，再利用最小二乘法则拟舍得到了气膜推力关于气膜厚度的解析式，求得气膜剐度。结果表明，气膜刚度是关于气膜厚度的负指数函数．通过与试

2、验进行对比，证明了利用此函数来求解气膜刚度是正确的。关键词干气密封螺旋槽CFD最小二乘法气膜刚度中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254-6094(2010)04-0469-05干气密封通常是在密封面开一定形状的浅槽，密封运转时，通过浅槽作用产生流体动压效应⋯，形成一定厚度的气膜，使得其能够抵抗压力或机械的扰动。文献[2]对螺旋槽端面密封环在轴向和2个角向自由度上的运动加以分析，用直接数值频率响应法计算了气膜的刚度，文献[3]用步进法求解了轴向微扰下的气膜刚度，文献[4～8]运用有限元法得到了螺旋槽干气密封端面气膜的压力分

3、布，进而获得了气膜刚度，文献[9，10]则利用近似解析法对气膜刚度进行了求解。本文利用基于有限体积法的Fluent软件对相同特定工况下6种不同膜厚的螺旋槽干气密封流场分别进行了数值模拟，得到了压力分布，获得了气膜推力，再运用最小二乘法则拟合得到气膜推力关于气膜厚度的解析式，最后求得气膜刚度。1螺旋槽内气体流场的边值问题1．1基本假设基于流体力学基本理论，同时考虑密封环和密封系统本身的结构，对密封端面间的气膜稳态流场分析时，进行了如下假设：a．间隙内流体视为连续介质，端面间为完整的流体膜润滑；b．密封气膜中的气体作层流运动，属于牛顿粘性流

4、体；C．润滑层的热状态等温；d。气体分子与密封表面牢固吸附，无相对滑移；e．忽略气体的惯性力和体积力；f．忽略在工作过程中系统扰动和振动对气膜流场的影响。1．2计算模型本文采用层流模型计算，控制方程用可压缩完全气体雷诺方程。它是Reynolds于1886年建立的，其在极坐标下的表达式¨¨为：÷品(譬塑r00)+旦Or(丛11,塑Or)=6甜r型r00ra口、肚’、’(1)1．3边界条件槽的入口端为高压侧，密封坝为低压侧，流体因为压力差从外径向内径流动。在槽、台的入口和坝区出口分别采用压力人口和压力出口边界条件，坝区和台区边界为周期性边界

5、条件，且满足：PI删=PIⅢ训。(2)密封环表面为标准壁面条件，采用速度无滑}国家自然科学基金资助项目(50965010)，浙江省科技计划项目(2008c21131)。·}富影杰，女，1981年3月生，硕士研究生。甘肃省兰州市，730050。470化工机械2010矩移条件。采用旋转参考坐标系来模拟动静环之间的相互运动。2边值问题的数值求解2．1建立几何模型划分网格通常的气体端面密封，动压槽是开在动环端面处。图1给出了螺旋槽的二维几何模型。图1螺旋槽几何模型取气体流过的密封两端面间的间隙为计算对象，因流场是轴对称的，故只须取出其中任一区域

6、来进行计算¨引，即一个槽和与之相连的台坝区(ABCDEF)作为计算区域。本文采用剖分划分网格的方法，为便于观察，将计算区域厚度方向放大1000倍，其网格划分如图2所示。最终生成网格单元数分别为15683、20568、25545、38300、35417、35525，坝区和台区均为4层，槽区为11层。图2计算区域网格2．2求解方法求解器选择分离的隐式求解器，压力差值格式为标准差值，压力速度耦合采用SIMPLE算法，动量方程采用二阶迎风离散格式。3计算结果3．1螺旋槽干气密封端面流场数值模拟应用Fluent软件对除气膜厚度不同、其他工况均相同

7、的螺旋槽端面气体进行数值模拟时，实验气体均取为空气，且几何运行参数均取为：内径Ri=135．3mm，外径Ro=188mm，根径R。=166．5mm，介质压力P。=0．5MPa，一级密封出口压力Po。=0．04MPa，环境压力P；=0．1013MPa，槽模数n=18，转速n，=10747r／rain，粘度p=1．8×10。Pa·s，槽深2E=7p．m，螺旋角a=74。，气膜厚度分别为1、2、3、3．5、4．5、5¨m。3．1．1压力分布图3—8为不同膜厚的螺旋槽端面气膜压力图。图38=1斗m的螺旋槽端面气膜压力图图46=2斗m的螺旋槽端面

8、气膜压力图第37卷第4期化工机械471图56=3斗m的螺旋槽端面气膜压力图图66=3．5p．m的螺旋槽端面气膜压力图图76=4．5p．m的螺旋槽端面气膜压力图图8艿=5p,m的螺旋槽端面气膜压力图3．1．2