螺旋槽槽形结构参数对气液两相端面动压密封性能影响*

赵赟杰，赵 芳，王红玉，杨喜博，火堃钰

(兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060)

国内对纯气相的干气密封和纯液相的上游泵送密封研究的很多。例如，李庆展等[1]为明确气相介质和液相介质分别对高速流体动压密封性能的影响，进行两种相态的密封性能对比分析与试验研究，分析了转速、压差、槽深、槽数、槽坝比等操作参数和端面结构参数对动压密封气相和液相的泄漏量、开启力等性能的影响；宋鹏云等[2]根据螺旋槽窄槽理论，得到螺旋槽干气密封静止时密封端面间气膜压力控制方程，并运用解析法求解，获得端面间气膜压力分布、开启力和泄漏率等密封性能参数；丁雪兴等[3]基于密封系统和动静环的结构特点，建立了润滑气膜计算域模型，使用ICEM 划分网格，采用 Fluent软件数值模拟获得气膜压力分布和速度分布，最后通过牛顿内摩擦定律计算得到润滑气膜摩擦系数；陈洋洋等[4]用ANSYS Workbench对螺旋槽干气密封模型进行单向流固耦合分析，得到动环密封端面的应力和应变分布情况，并研究动环转速和介质气体压力对动环密封端面应力和应变的影响。但高速旋转机械运行中气液两相共存，纯气相和纯液相的密封工况已经不能满足实际的工程需要，得到的密封性能的变化规律也不再适用，所以研究气液两相密封势在必行。

本文通过Fluent对气液两相端面动压密封性能进行模拟研究，分析在液气比一定(0.15)、工况一定的条件下，槽形结构参数对密封性能的影响。

1 油气两相动密封工作原理

动压密封采用动环端面外侧开槽的密封结构，密封运转时，高压介质从外侧进入密封端面动压槽区，如图1所示。进入槽区的介质由于螺旋槽的存在随着螺旋槽一起旋转。当流体运动到螺旋槽根部时，由于存在阶梯效应，产生高压区，密封端面开启，形成动压密封。

1.密封环;2.计算模型(厚度放大1000倍)。

油气两相动压密封的密封介质是气液混合物。螺旋槽开在动环外侧，螺旋线为对数螺旋线，表达式为[5]：

R=Rgeθ tan α

(1)

式中，Rg为槽根半径，mm；θ为螺旋线转角，α为螺旋角，(°)。

螺旋槽结构参数如表1所示，动压密封操作参数如表2所示，气液相介质参数如表3所示。

表1 动压密封结构参数

表2 动压密封操作参数

表3 动压密封介质参数

2 油气两相动压密封计算方法

2.1 计算模型

研究对象为动静环端面间的流体域，研究气液两相流动情况。由于端面动压槽呈周期性分布，利用周期性边界条件，取一个动压槽进行计算。计算模型如图1所示。

2.2 基本假设

为了便于分析，本文设定第一相为空气，第二相为油滴。针对动压密封端面流体膜的实际特点，对密封流体膜做如下假设:

①密封端面间流体的流动为层流；②流体流动过程中温度、黏度恒定；③油滴均匀的分布在空气中，油滴之间的相互作用力忽略不计[6]。

2.3 多相流基本模型

Mixture模型适用于模拟有强烈耦合的各相同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。根据本文的流体分布及假设情况，选择多相流中的Mixture模型。

1)连续方程为[7]：

(2)

2)动量方程为：

(3)

3)能量方程为:

(4)

4)第二相的体积分数方程为：

(5)

2.4 稳态密封特性参数

在工况参数一定、液气比一定的情况下，得到最大的开启力和最小的泄漏量是对气液两相密封性能最好的解释，气膜刚度能反映密封系统的稳定性，为了便于分析气液两相端面流体膜密封的密封性能，用泄漏量、开启力、气膜刚度这三个参数对密封性能进行评价。

①泄露量[8]：泄漏量是反映密封效果的直接参数，FLUENT软件可以直接计算出单位时间内通过流体域出口的介质的量，本文分别计算出气体的泄漏量和液体的泄漏量。

(6)

②开启力：

(7)

式(6)(7)中：ρg、ρL分别为空气、油滴的密度，kg·cm-3；vg、vL分别为空气、油滴的速度，m·s-1；A为面积，m2；P为压强，Pa。

(8)

式(8)中：h为气膜厚度，mm。

2.5 边界条件

模型的边界条件如图2所示，其中Top-surface为螺旋槽旋转壁面，Bottom-surface为静止壁面，A1、A2、B1、B2分别为周期边界，即压力的周期性边界条件[10]：

式中，Ng为动压槽个数。

图2 1/12螺旋槽气液两相膜边界条件设置

2.6 求解流程及相关条件设置

在ICEM中划分完网格，网格质量符合要求，将计算域网格导入FLUENT中，设置材料参数和工况参数，采用稳态模型进行计算，具体的操作步骤如下：

①将质量合格的网格导入FLUENT，选择基于压力的求解器，设置稳态求解模式；②选择多相流模型为：Mixture；③选择层流模型；④添加材料，同时设置物性参数，第一相为空气，第二相为油滴，不考虑表面张力的影响；⑤按照图2所示设置压力入口、压力出口，并设置液气比；⑥按照图2所示设置旋转壁面、静止壁面；⑦采用COUPLED算法，压力的离散格式采用PRESTO格式，动量采用一阶迎风格式，体积分数采用一阶迎风格式。

3 计算结果及分析

3.1 槽深对动压密封性能的影响

由图3(a)泄漏量随槽深的变化看出，动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着槽深的增大先增大后减小，槽深 6 μm 时达到最大值；由图3(b)、(c)看出，开启力、流体膜刚度都随着槽深的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)开启力 (c)流体膜刚度

3.2 气膜厚度对动压密封性能的影响

由图4(a)泄漏量随气膜厚度的变化看出，动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着气膜厚度的增大而增大；由图4(b)、(c)看出，开启力随着气膜厚度的增大而增大，流体膜刚度随着气膜厚度的增大而减小。

(a)泄漏量 (b)开启力 (c)流体膜刚度

3.3 槽数对动压密封性能的影响

由图5(a)泄漏量随气膜厚度的变化看出，动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着槽数的增大而增大；由图5(b)、(c)看出，开启力、流体膜刚度都随着槽数的增大而增大。

(a)泄漏量 (b)开启力 (c)流体膜刚度

4 结论

1)动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着槽深的增大先增大后减小，槽深 6 μm 时达到最大值，开启力、流体膜刚度都随着槽深的增大而增大。

2)动压密封的气体泄漏量和液体泄漏量都随着气膜厚度的增大而增大，开启力随着气膜厚度的增大而增大，流体膜刚度随着气膜厚度的增大而减小。

3)动压密封的气体泄漏量、液体泄漏量、开启力、流体膜刚度都随着槽数的增大而增大。