干气密封端面气膜流场的三维模拟分析.pdf

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1、第37卷第3期化工机械335干气密封端面气膜流场的三维模拟分析刘亚莉‘赵丽丽张强董华东戚俊清(郑州轻工业学院)摘要采用ANSYS分析软件对干气密封端面动、静环间的气膜层及螺旋槽内的流场进行了有限元分析。采用沿垂直厚度进行面分区划分单元，而后将面网格拉伸成体网格的方法，解决了气膜层流场三维流场的模拟计算，得到了气膜层整体及密封面槽区、台区、坝区流场的压力及速度分布。关键词干气密封三维流场有限元法中图分类号TQ051．2l文献标识码A文章编号0254-6094(2010)03-0335-04干气密封由于其独特

2、的优点，现已广泛用于离心式压缩机、膨胀机、反应釜及其它高速和高压机器中h引。干气密封的密封性能取决于动．静环问的气膜层流场分布，但因气膜极薄(通常在3～8斗m)，通过实验测定气膜层流场特性比较困难，因此多采用数值计算方法，通过建立二维稳态气膜流场模型，采用有限元分析对其工作原理进行研究日训。本文以典型的螺旋槽干气密封为研究对象，借助于ANSYS软件，采用对面和网格进行拉伸的方法构建三维流场模型，对密封端面流体进行有限元计算，得出密封端面整体气膜层，以及槽、台、坝区流场的压力和速度分布，为干气密封的性能分析

3、、泄漏量预测及端面结构优化设计提供依据。1基本方程在ANSYS软件中，流场计算的基本方程为连续性方程和运动方程。其在极坐标下的形式【71为：粤+v．(p：)=0(1)■●、J、j_+_+-+_．_+盖(pu)+V。((Pl，t，)=一VJP+V‘r+Pg+F(2)式中p——流体的密度，kg／m3；u——速度矢量，m／s；p——压力，Pa；Pg、F——单位体积上的重力和外部力，N／m3；r——应力张量。丁由下式给出：r=肛(Vl，+V∥7)一知V·y，(3)式中p——动力粘度，Pa·s；，——单位张量。2几

4、何模型2．1计算区域选取稳态工况下密封端面气体为研究对象，密封端面结构如图l所示，其结构参数为：环内径·刘亚莉，女，1964年9月生，教授。河南省郑州市，450002。区图1螺旋槽密封端面结构示意图336化工机械2010矩Ri=58．42ram，环外径R。=77．78lrlm，槽数Ⅳ=15，槽深H。=41xm，非槽区膜厚Ho=3斗m，槽台比y=1"一01。网格划分时，由于气膜层厚度很薄，本文采用四边形网格，先埘模型在垂直厚度方向上的各个面进行分区划分，而后将面网格拉伸成体网格。2．2边界条件假定密封环内径

5、处压力为P．=101．325kPa，外径处压力为P：=0．8MPa；静环侧的气膜边界速度为零，动环侧的气膜边界速度为动环速度，其顺时针旋转，转速n=500rad／s；计算区域的密封介质为可压缩性流体。3结果讨论3．1气膜层整体流场分析3．1．1径向压力、速度分布图2和图3分别为气膜层端面整体流场压力和速度分布图。由图2可知，由于气膜离心力的作用，坝区压力较低；台区在环外侧密封压力和气膜离心力的双重作用，由环外径至槽根部，压力逐渐提高，台区的最高压力略高于密封压力；在槽图2气膜层整体压力分布图3气膜层整体速

6、度分布区，由于密封气体被周向吸人槽内，同时受密封坝的节制被压缩，由外环到槽根部，压力迅速增加，在根部达到最高。图3表明，密封端面流体的速度沿径向由外到内逐渐增大，在内环处速度达到最高，这与连续性方程相吻合。3．1．2沿气膜厚度压力、速度分布沿气膜厚度从静环到动环槽区底部的气体为研究对象，以任意半径72mm处为例，其压力和速度分布如图4、5所示。矗ao_×·R幽图4沿气膜厚度的压力分布1．0820√，O1．42．84．25．67DIST／Itm图5沿气膜厚度的速度分布由图4可知，密封气膜层由静环至槽膜边界处

7、，压力恒为0．66MPa；在槽区气膜交界处压力呈直线七升；而在槽区内，气膜的压力以1．42MPa保持恒定，表明槽内气体沿厚度方向的压力梯度为零。由图5可见，速度由静环侧至动环侧逐渐增大，在动环处达到最大，受密封坝的阻滞，槽内流体速度骤降至接近于零，因气膜层厚度较薄，其速度沿厚度方向变化不大。3．2槽台坝区流场分析为了进一步研究端面各部分压力及速度的详尽分布特点，选取端面的一个单元进行分析，如图6所示。864驼钳M432，∞．暑＼趟瑷第37卷第3期化工机械337埂区台区图6各分析路径图3．2．1槽区流场分析

8、为了比较螺旋槽边缘和内部流体压力分布特点，选取图6中螺旋槽边界EFGH和槽区内部ABCD两条路径进行分析。图7为两条路径上的压力分布。由图7可知，槽内形成稳定的高压区，有利于动压效应的产生；整体上槽内部流体和槽内边缘处流体的压力分布趋势一致；由于流体的吸入效应和离心惯性力的作用，从外径到槽根部压力逐渐增大，在根部压力最大，在F点压力高达2．20MPa，达到密封压力的2．7倍。一乒2×较幽图7槽区气膜的压力分布对槽区流场的速度分