（动力工程及工程热物理专业论文）螺旋槽流体动压浮环密封特性分析.pdf

摘要 浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的传统型式，随着现代科学 技术的飞速发展，在航空航天、石油化工、冶金机械等领域，对密封件的密封性能的要 求越来越高，需要人们不断的开发出性能优越的密封产品，同时也促进了浮环结构结构 的研究与发展，其中螺旋槽浮环密封不但具有反向泵送作用，降低泄漏量，还能产生较 好的流体动压效应，提高浮环对中性。 本文借助c f d f l u e n t 软件对普通浮环密封和螺旋槽浮环密封间隙内气相流场进 行了数值计算，得到了气膜的压力分布、速度分布、质点运动轨迹以及剪切应力分布等 流场特性，并分析了操作参数和结构参数对螺旋槽浮环密封压力场的影响，结果表明， 螺旋槽浮环密封能产生较强的动压效应和反向泵送能力，转速、压差、介质粘性、螺旋 角、槽长、槽深、槽台宽比以及浮环宽度等参数对螺旋槽浮环密封的压力场影响较大， 而槽数对压力场的影响相对较小。另外，在气相流场模拟的基础上，计算了浮环浮升力、 泄漏量、摩擦转矩等性能参数，分析了转速、压差、偏心率、半径间隙以及含液量等对 螺旋槽浮环密封性能的影响规律，并与普通浮环密封进行了对比。最后，通过改变螺旋 槽浮环结构，重新建立模型，得到了各种结构参数对泄漏量、浮升力等影响的分布曲线， 结果表明，结构参数对螺旋槽浮环密封性能影响较大，在对螺旋槽浮环结构进行设计时， 综合考虑较小的泄漏量和较大的浮升力，取较小的螺旋角1 0 - 1 5 。，槽数2 6 - 3 0 ，槽 长7 8m m ，槽深2 5l u n 左右，槽台宽比0 5 较适宜以及较大的浮环宽度。以上研究结 果为不同工况下的浮环密封的设计和选择提供了一定的参考。 关键词：浮环密封，螺旋槽，流场，结构参数，数值模拟 p e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h es p i r a lg r o o v eh y d r o d y n a m i c f l o a t i n gr i n gs e a l z h a n gx i a n x i a o ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh a om u m i n g a b s t r a c t f l o a t i n gr i n gs e a li sat r a d i t i o n a lp a a e mo fs h a f te n ds e a lo ft u r b o - c o m p r e s s o rf o r h a z a r d o u sp r o c e s sg a s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i n a e r o s p a c e ，p e t r o l e u ma n dc h e m i c a li n d u s t r y , a n dm e t a l l u r g ym a c h i n e r y , t h ed e m a n do ft h e s e a lp e r f o r m a n c eo fs e a l sh a sb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r , s op e o p l en e e dt o c o n t i n u a l l y d e v e l o ps e a l i n gp r o d u c t so fs u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，a n di ta l s oc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ff l o a t i n gr i n gs t r u c t u r e i na l lo ff l o a t i n gr i n gs e a l ，s p i r a lg r o o v ef l o a t i n gr i n g s e a ln o to n l yh a sp u m p i n ge f f e c tt or e d u c el e a k a g e ，b u ta l s op r o d u c e sg o o dh y d r o d y n a m i c e f f e c tt oi m p r o v et h ec e n t e r i n ga d j u s t m e n t i nt h i sp a p e r , t h eg a sf l o wf i e l do fc o m m o nf l o a t i n gr i n gs e a la n ds p i r a lg r o o v ef l o a t i n g r i n gs e a lw e r en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e dw i t hc f d - f l u e n ts o f t w a r e ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ， t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，t h ep a r t i c l et r a c ka n dt h es h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o nw e r ea b t a i n e d ，a n d t h ee f f e c to fo p e r a t i o n a la n dg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so nt h ep r e s s u r ef i e l do fs p i r a lg r o o v e f l o a t i n gr i n gs e a lw a sa n a l y z e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es p i r a lg r o o v ef l o a t i n gr i n gs e a l c a l lp r o d u c eg o o dh y d r o d y n a m i ca n dp u m p i n ge f f e c t ，t h ep a r a m e t e r s ，s u c ha ss p e e d ，p r e s s u r e d i f f e r e n c e ，v i s c o s i t y , s p i r a la n g l e ，g r o o v el e n g t h ，g r o o v ed e p t h ，g r o o v ew i d t hr a t e ，a n df l o a t i n g r i n gw i d t h , h a v eg r e a te f f e c to nt h ep r e s s u r ef i e l do fs p i r a lf l o a t i n gr i n gs e a le x c e p tg r o o v e n u m b e r i na d d i t i o n ，b a s e do nt h eg a sf l o wf i e l ds i m u l a t i o n ，h y d r o d y n a m i cf o r c e ，l e a k a g ea n d f r i c t i o n a lt o r q u eo ff l o a t i n gr i n gs e a lw e r ec a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo fs p e e d ，p r e s s u r e d i f f e r e n c e ，e c c e n t r i c i t y , r a d i u sc l e a r a n c e ，a n dl i q u i dh o l d u po nt h es e a lp e r f o r m a n c eo ft h e s p i r a lg r o o v ef l o a t i n gr i n gw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d 、析t ht h ec o m m o nf l o a t i n gr i n gs e a l l a s t ，t h er e l a t e dr e g u l a rc u r v e si n c l u d i n gh y d r o d y r n a m i cf o r c ea n dl e a k a g ew a sa b t a i n e dw i t h t h ec h a n g eo ft h eg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r so ff l o a t i n gr i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sh a v eg r e a te f f e c to nt h es e a lp e r f o r m a n c eo fs p i r a lg r o o v ef l o a t i n g r i n g ，i nc o n s i d e r a t i o no fl o w e rl e a k a g er a t ea n dl a r g e rh y d r o d y n a m i cf o r c e ，t h es p i r a la n g l e 1 0 - - , 15 。，t h eg r o o v en u m b e ro f2 6 - - 3 0 ，t h eg r o o v el e n g t hb e t w e e n7 - - 。s m m ，t h eg r o o v e d e p t ha b o u t2 5 i _ t m ，t h eg r o o v ew i d t hr a t e0 5 a n dl a r g e rf l o a t i n gr i n gw i d t ha r ea p p r o p r i a t e d u r i n gd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo fs p i r a lg r o o v ef l o a t i n gr i n g t h er e s e a r c ha b o v ep r o v i d e s a l l i m p o r t a n tr e f e r e n c ee x a m p l ef o rt h ed e s i g na n dp a t t e ms e l e c t i o no faf l o a t i n gr i n gs e a l i n gi n d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：f l o a t i n gr i n g ，s p i r a lg r o o v e ，f l o wf i e l d ，g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 主要符号表 螺旋齿宽，m i l l 螺旋槽宽，l n n l 浮环内径，m 转轴直径，m 偏心距，m 浮升力，n 浮升力径向分量，n 浮升力切向分量，n 无量纲浮升力 螺旋槽深，1 t i i t i 半径间隙，m 流体导热系数，w ( m k ) 槽长，m m 浮环宽度，m 槽数 流体静压 压力入口，p a 压力出口，p a 大气压，p a 体积流量，m 3 s 质量流量，k g g s 雷诺数 粘性耗散项 时间，s 温度，k 直角坐标系下，速度矢量，m s 直角坐标系下，速度u 在x 轴方向上的速度，m s 直角坐标系下，u 在y 轴方向上的速度，m s 以 d d p f b r f 厅 锄 七 ， 三 疗 p 办 风凡 9 q 胎 研 f 丁 u 掰 v 流体平均速度，m s 直角坐标系下，u 在z 轴方向上的速度，m s 体积力在x 轴方向的分量，n m 3 体积力在y 轴方向的分量，n m 3 体积力在z 轴方向的分量，n m 3 螺旋角，。 偏心率 槽台宽比 流体动力粘度，p a s 密度，k g m 3 偏位角，。 y w x y z 巧 p 缈 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者虢撇蒯 日期：矽年月日 日期：砌年乃月日 v 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：多睦羟莉 指导教师签名：多御 日期：纱矽年多月日 日期：u 1b 年6 月j 日 中田石油太学( 牛糸) 硪j 学位论文 第一章前言 浮环密封是一种径向可毗活动的非接触式密封，具有密封可靠、结构简单、检修方 便以及在高温、高压、高速条件下运行平稳等特点，目前广泛应用于离心泵、离心压 缩机、涡轮机以及氢冷汽轮发电机等。 中石化广州石化乙烯厂引进一台英国“h o w d e n ”公司生产的双螺杆压缩机，其 轴封采用英国j o h n c r a n e i n t e r n a t l o n l 公司生产的“接触式机械密封+ 普通浮环密封”组合 式密封，结构如图1 1 所示，基本元件有：卜动环座2 一动环外0 形圈，3 一动环，4 一 动环外o 形圈5 一静环，6 一四氟隔环，卜静环o 形圈，8 o 形圈挡圈，9 一推环 1 0 一弹簧，1 1 弹簧座，1 2 - - 固紧螺钉，l3 一浮环腔体，1 4 一静环支承座，1 5 一碳石墨 浮环。该密封结构在工作过程中主要存在以下几个问题： ( 1 ) | i 于c 4 介质化学性质不稳定而自聚，在与密封油和机械密封接触的过程中出 现结焦，破坏机封密封面的稳定，导致机械密封泄漏，使润滑油和c t 互窜，润滑油气 体从油箱往外泄漏或者c 4 气体溶于润滑油，使油品粘度下降闽点降低构成安全隐 患 ( 2 ) 介质巾含有一定量的高渗透性d m f ，浸入石墨环后在密封端面摩擦热的作用 下，易使石墨密封环表面材料脱落而造成大量的泄漏。 田1 1 取螺杆压缩机用轴封结构 啦! - 1s h a f ts e a ls t r u c t u r e i n t w i n - s c r e wc o m p r m a o r 以上密封失效问韪，使得装置检修周期太大缩短，并造成了巨大的经济损失，每次 检修所需进口各件及维修费用超过2 0 0 万元，润滑油泄漏或被污染的费用大约5 5 万元。 因此为减少c 。介质、d m f 溶剂通过浮环密封向机械密封侧泄漏，通过在原普通 浮环密封内圆柱密封面上开设一列流体动压螺旋槽( 图l - 2 所示) ，其作用主要有： 第一章前占 o 幽l 五螺旋褶秤环密封结构示意图 f 噜1 - 2s t n m e t u r a l d i a g r a m o t s p i r a l g r 鲫v e f l o a t i n gr i n gs e a l ( 1 ) 具有反向泵送作用( 图示由左向右泵送) ，一方面可降低d m f 的经排出孔的 泄漏量，减少物质损失，另一方面可有效阻止高渗透性的d m f 侵入机械密封内径侧， 减缓y - - 烯自聚的趋势( 工业现场发现首先出现d m f 的泄漏，然后产生封油的泄漏) 。 ( 2 ) 借助流体动压效应可提高碳石墨浮环的浮动性( 或对中性) 降低浮环与轴的 摩擦磨损，相应延长浮环和轴的使用寿命。 ( 3 ) 可减少气相丁二烯经平衡管的内漏量，提高压缩机的效率：与此同时，可一 定程度减少气相丁二烯经排出孔的泄漏量，降低分离系统的负荷。 为验证螺旋槽浮环密封的良好的动压效应和泵送效应，需进行实验研究。实验研究 主要有两种方法：物理实验和数值模拟实验。物理实验的结果最真实可信，但由于实验 条件的限制，无法观测浮环密封间隙内流体的流动过程，另外对多种螺旋槽浮环密封结 构进行物理实验研究，不仅费用大而且周期长，而通过数值模拟实验可以考虑任意浮环 的结构型式，并且能够更全面、准确、直观地反映浮环密封流体运动特性，是常规实验 无法实现的。因此，本文借助c f d - - f l u e n t 软件进行建模，并计算普通浮环密封和螺 旋槽浮环密封间隙内流体的压力分布、速度矢量分布、质点轨迹以及剪切应力分布，模 拟间隙内流体质点的全三维流动过程，分析了各种参数对螺旋槽浮环密封压力场的影 响。另外，作者还对螺旋槽浮环密封稳态特性( 泄漏量、浮升力和摩擦转矩) 、动奋特 性以及结构参数( 螺旋角、槽数、槽长、槽深、槽台宽比和浮环宽度) 进行了分析，为浮 环密封的设计提供了参考。 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 1 浮环密封简介 第二章文献综述 弟一早 义陬练尬 浮环密封是以流体动压润滑为理论基础，依靠浮环内表面和轴颈表面的相对运动， 使介于两固体表面间的流体膜产生压力来承受外载荷，免除了固体表面间互相接触，大 大降低了固体间的摩擦磨损，从而延长了使用寿命。 对于密封液体来说，由于流体动压力很大，且液膜较薄，只有几十微米，因此密封 间隙内是一层刚度极大流体膜，阻止介质从间隙内通过，起到密封作用，从这个意义上 讲，浮环密封属于流阻型非接触式流体动密封。对于密封气体来说，流体动压力大大降 低，但发热量极少而无发热磨损问题。 图2 - 1 浮环密封结构示意图 f i g2 - 1 s t r u c t u r a ld i a g r a mo ff l o a t i n gr i n gs e a l 图2 1 为浮动环密封结构示意图。浮环能够产生径向运动，但由于防转销的存在， 限制了浮环的周向转动。浮环的受力情况与轴承类似，所不同的是：对轴承而言，轴承 固定，浮起的是轴，而浮环固定的是轴，浮起的是浮环。 图2 - 2 浮环处于最大偏心位置 f i g2 - 2f l o a t i n gr i n gi nm a x i m u me c c e n t r i cp o s i t i o n 由轴承流体膜原理可知，若浮环与轴处于同心状态( 偏心距萨o ) ，则不会产生浮力， 若浮环与轴处于偏心状态，当转轴转动时，流体便会产生流体动压力。在转轴旋转之前， 3 第一二章文献综述 浮环由于自身重力悬挂在转轴上，此时浮环处于最大偏心位置，最大偏心距为e i ，如图 2 2 所示，浮环所受的流体动压力与自身重力之和大于浮环端面摩擦力，推动浮环向几 何中心运动，随着浮环趋近于几何中心，偏心距变小，流体动压力减小，当流体动压力、 自身重力、摩擦力三者达到平衡时，浮环便处于最小偏心距位置【1 1 ，最小偏心距为e 2 ， 如图2 - 3 所示。 图2 - 3 浮环处于最小偏心位置 f i g2 - 3f l o a t i n gr i n gi nm i n i m u me c c e n t r i cp o s i t i o n 2 2 环形密封研究状况 2 2 1 国外研究现状 2 2 1 1 理论研究 在对环形密封流体流场的理论研究中，早期人们通常采用整体流动模型( b u l k f l o w m o d e l s ) 来分析，并进行了大量的研究，该模型是基于h i r s 理论圈提出的一种经验性模 型，忽略了流体内部的剪切应力，并且未考虑实际流动分布，而是采用平均流动速度。 c h i l d s 3 1 第一个以h i r s 湍流润滑方程为基础，并假设周向和轴向处于充分紊流状态，在 前人b l a c k 4 1 和j e s s e n 研究的基础上推导出短密封动力系数表达式。文献 5 作者发展了 有限长度解法，并与短密封解法进行了对比。a n t u n e s 等【6 7 1 人采用同样的方法计算大间 隙环形密封中转子静、动特性，并得出解析解。h s u 等【8 1 提出了一种仅适用于薄膜假设 的整体流体模型的通用计算方法，并把该方法计算结果与实验测量进行了对比。n e l s o n 和n g u y e n 【9 1 利用整体流动模型求解了光滑表面和粗糙表面下不可压流体环形压力密封， 对比了两种摩擦系数方程( h i r s 摩擦系数和m o o d y 摩擦系数) 的计算结果，结果表明， 对于光滑表面下的密封，两种摩擦系数模型产生相同的结果，对于粗糙表面，计算结果 相差很大。文献 1 0 ，1 1 根据整体流动模型假设，应用摄动法求解连续性方程，提出了 不可压流动摄动解。 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 0 世纪8 0 年代中期，计算流体动力学( c f d ) 被引入计算环形密封流场中，通过求 解密封流场的时均n s 方程与流体动力润滑理论相结合，将传统方法与实际流场的计算 紧密的结合在一起，能够得到比较准确的密封流体动力特性。t o s h i o 等【1 2 1 将c f d 商用 软件c f x1 a s c f l o w 的计算结果与现存的整体流动分析程序d y n l a b 比较，发现c f d 计算结果高于整体流动模型。m o o r e 1 3 - 1 4 等人利用c f d 方法求解环形密封流场，结果证 明，与整体流动模型假设方法相比，计算得到的泄漏量和动态特性系数与实验值更加接 近。 在c f d 求解过程中主要采用有限体积法，其数学模型主要有准稳态全三维模型、 准稳态小扰动模型以及非稳态模型。国外学者对这三种模型进行了大量的研究。 ( 1 ) 准稳态全三维模型研究。1 9 8 7 年，w y s s m a n n 1 5 】针对迷宫密封，第一个建立了 准稳态全三维模型，并提出了相应的动态特性计算方法。1 9 8 8 年，t a m 等将计算区 域划分为非正交贴体网格，利用p h o e n i c s 8 4 直接求解准稳态全三维模型，成功的描 述了环形密封内复杂三维流场。1 9 8 9 年，n o r d m a l l l l 【1 7 1 根据t a m 类似的计算方法得到了 环形密封的转子动力系数，将计算结果与室验数据和整体流动模型理论计算结果相比 较，发现该方法的计算精度高于整体流动模型，更加接近实验结果。1 9 9 2 年，r h o d e p s 建立了改进的双极坐标系下的雷诺时均n s 方程，利用有限差分法求解迷宫密封流体激 振力。 ， 层 i 。， 邂矽 图2 - 4 坐标变换 f i g2 - 4 c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ( 2 ) 准稳态小扰动模型研究。1 9 8 7 年，d i e t z e n 等针可压流体环形密封，假设转 轴围绕中心位置做微小扰动，提出了准稳态小扰动模型，并进行了坐标变换，如图2 - 4 所示，利用有限差分法求解k - e 湍流方程和n s 方程，得到了密封流场、压力场以及转 5 第二章文献综述 子动力特性系数，并与c h i l d s 整体流动模型结果和实验结果进行了对比。1 9 9 7 年，a r g h i r 掣2 0 1 以d i e t z e n 和n o r d m a n n 的坐标变换法为基础，考虑了坐标变化对应力张量的影响 以及出口段压力恢复的影响，得到了迷宫密封涡动转子流体激振力，后来，两人又提出 了一种准二维数值方法【2 l 】，该方法既可以应用在静子开槽上，也可以应用在转子开槽上。 1 9 9 9 年，m o o r e 2 2 】对标准k 模型和低雷诺数k - e 模型两种湍流模型的可靠性进行了研 究，计算了准稳态小扰动模型下的密封激振流场，并与激光多普勒测速仪测得的结果对 比，发现k 模型并不完全适用于高速旋转的密封激振流场。 ( 3 ) 非稳态模型研究。1 9 9 2 年，a t h a v a l e l 2 3 1 假定转轴沿着密封直径方向作直线摄动， 且转轴中心位置是关于时间的正弦函数，采用移动网格计算随时间变化的流场，利用有 限体积法求解湍流模型下的n s 方程，得到了环形密封非线性转子动力学系数，并与实 验数据和其它多种简化数值方法进行了比较。1 9 9 7 年，w i l l i a m s l 2 4 】以赫尔姆霍茨 ( h e l m h o l t z ) 压力方程为基础，利用三维移动网格的数值计算方法，求解随时间变化的动 压力下的非稳态不可压流体的转子动力系数。非稳态计算模型具有高精确性以及对复杂 结构的适应性，但是引入了时间项，对计算资源的需求很大，目前关于非稳态模型的应 用还处于初级阶段。 2 2 1 2 实验研究 在实验研究方面，几十年来国外学者也进行了大量的工作。 对于环形密封静、动态特性的实验研究，二十世纪八十年代，c h i l d s 2 5 。2 8 1 实验测试 了圆孔型、锯齿型阻尼器密封的泄漏量和动态特性，结果表明，与圆孔型阻尼器密封相 比，锯齿型阻尼器密封的泄漏量较小，主阻尼系数较大，刚度系数两者相当，与定子表 面光滑的密封相比，圆孔型和锯齿型阻尼器密封等定子表面粗糙型密封的泄漏量、交叉 刚度较小、主刚度系数下降，而主阻尼系数较大。2 0 0 1 年，d a r d e n 等人例也对圆孔型 锥度阻尼器密封的动特性进行了实验研究，测试结果与c h i l d s 的实验结论具有较好的一 致性，但该实验比较的是不同出口间隙密封的动态特性，因此不具代表性。2 0 0 3 年， s a t a r uk 锄e k o 【3 0 1 对蜂蜗型锥形密封，蜂窝型直线密封和光滑型直线密封三类密封进行了 实验研究，实验结果表明，蜂窝型锥形密封具有较小的泄漏量和较好的稳定性，与蜂窝 型直线密封相比，蜂窝型锥形密封具有较大的主刚度系数，这是因为锥形间隙产生了较 大的径向激振力；与光滑型直线密封相比，蜂窝型锥形密封与蜂窝直线密封具有较小泄 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 漏量和交叉刚度以及较大的主阻尼系数，这是因为定子上的蜂窝表面降低了切向速度。 对于环形密封流场的测量，1 9 9 4 年，m o r r i s o n 3 1 1 利用激光多普勒测速仪( l d v l d a ) 对密封间隙内速度场进行了测量，测量结果表明密封入口处径向速度较大，转子表面存 在明显的回流现象，另外，又通过压力传感器测得了压力分布和壁面剪切应力分布。1 9 9 7 年，a r g h i r l 3 2 1 将l d a 测量的壁面剪切应力和压力分布等流场结果和准稳态小扰动模型 的数值计算结果进行了比较，结果表明，两者具有较好的吻合性。 2 2 2 国内研究现状 关于环形密封的理论研究，国内学者起步较晚，涉及此项研究也较少。1 9 9 5 年，张 新敏等【3 3 】人利用有限长度理论对锅炉给水泵密封环的间隙力进行数值计算，分析了长径 比、间隙量、转速以及预选量对间隙力的影响。2 0 0 4 年，张新敏等3 4 1 采用摄动法求解 h i t s 湍流润滑方程，提出了一种适用于计算平密封、部分锥度密封以及全锥度密封压力 场和动力特性系数的方法，计算结果与实验值基本一致。文献 3 5 推导出包括层流、过 渡区、湍流工况以及惯性影响的稳态润滑雷诺方程，计算得到的泄漏量和间隙力与实验 结果基本一致。 孙启国等【3 9 1 根据紊流整体流动模型和m o o d y 壁面摩擦系数方程，运用摄动法求 解非线性偏微分方程，对大间隙偏心转子静动特性进行了研究，分析了定子和转子表面 粗糙度对转子动态特性系数的影响。 2 0 0 5 年，徐悦等 4 0 l 利用c f d f l u e n t 软件对标准k - e 湍流模型和带旋流修正k - 湍流模型下的密封流场进行了准稳态数值仿真模拟，结果发现，两种模型下计算得到的 转子动力系数相差很小。 2 0 0 6 年，东南大学振动控制与信息系统研究所杨绍宇等洲利用c f d f 1 u e n t 软件计 算了环形密封的泄漏量和动态特性系数，将c f d 计算结果与c h i l d s 的理论计算结果和 l i n d s e y 的实验结果进行比较，发现交叉刚度、泄漏量的c f d 计算值更加接近实验值。 2 0 0 7 年，马纲、徐广州等【4 2 】采用有限元法对人字形螺旋槽柱面气膜密封压力场进 行计算，分析了各种结构参数对密封的稳态特性的影响。 2 3 浮环密封研究状况 关于浮环密封的研究还处于薄弱阶段，到目前为止还没有一套完整的理论和设计计 7 第二章文献综述 算方法。在1 9 世纪7 0 年代后期，人们是根据短轴承理论来研究普通直线结构浮环密封 的特性，并通过大量的实验研究发现，在浮环密封内表面开设一系列周向沟槽，如长方 形沟槽、带有长方形台阶的长方形沟槽和正弦曲线沟槽 4 3 】等，可以增大流体动压力，提 高浮环稳定性。 目前，国外很多学者都是利用数值计算方法模拟浮环运转的实际工况。k i r k 等【4 4 舶l 利用有限差分法求解雷诺方程，分析了油膜浮环密封的瞬态响应以及动态特性，并进行 了实验研究。1 9 9 5 年，z u e v 等【4 7 】对中高压以及超高压压缩机浮环密封进行了优化设计， 并考虑了高压力梯度对浮环和转轴力和温度变形的影响，通过逐次逼近法，利用f o r t r a n 语言编写了计算程序，计算了压力场和温度场。1 9 9 9 年，r e e d y 等【4 8 】利用改进的有限元 法，在个人计算机上自编计算程序求解雷诺方程和能量方程，得到了有沟槽浮环和无沟 槽浮环密封间隙内的压力场和温度场，该方法能够更加精确地预测浮环密封的动力特 性，对浮环密封的设计具有一定的指导作用。2 0 0 2 年，h a 等【4 9 】在k i r k 研究的基础上， 结合整体流动方程和m o o d y 摩擦系数方程，推导出流体控制方程，计算分析了浮环密 封的泄漏量和动态特性。 在国内，许多学者也对浮环密封进行了理论及实验方面的研究。1 9 7 8 年，西安交通 大学浮环密封研究小组采用电感式位移传感器和相应的电子仪器测量了浮环间隙的变 化情况，研究了浮环密封动力学特性，并根据实验得到的浮环运动特点，提出了一个简 化力学模型的理论计算方法和程序【5 0 l 。1 9 8 2 年，许庆余5 1 1 等根据短轴承动力润滑理论， 结合浮环边界条件推导出普遍雷诺方程，得到了旋转坐标系下的油膜力表达式，并应用 t r e a n o r 数值积分法求解浮环运动微分方程，既保证了解的精度，又扩大了稳定区域， 通过计算机程序计算，得到了浮环中心运动轨迹图，同时分析讨论了受迫振动中次谐波 现象以及浮环半速涡动等问题。陈国良圈对一种大型真空高速动平衡超速实验室需用的 真空浮环密封新结构进行了实验研究，实验表明该结构具有良好的密封性能和安全可靠 性。2 0 0 5 年，王玉吲5 3 】开发出一种组合式螺旋浮环密封，该浮环密封装置包括增压段 结构、浮升段结构和防漏段结构，增压段靠近内浮环的密封油入m g , j ，主要保证油气压 差为正值，防漏段靠近被密封气体侧，主要降低密封油的内泄漏，浮升段位于增压段和 防漏段之间，主要起提高浮环稳定性的作用。2 0 0 5 年，在w s h a p i r o 等【5 4 1 对气膜润滑、 扇形浮环密封的研究基础上，清华大学摩擦学重点实验室王飞等5 5 巧6 1 采用有限差分与牛 8 中国石油人学( 华东) 硕- l ：学位论文 顿超松弛迭代求解雷诺方程的方法，模拟浅槽分瓣环型浮动环密封的密封间隙内流场压 力的分布情况，研究间隙对泄漏量，静态刚度的影响，之后又采用非线性、单目标、单 参数的方法对浅槽环瓣型浮环密封结构参数和工况参数进行了优化。2 0 0 7 年，苏令等【5 7 l 计算了径向微小位移或速度扰动对浅槽环瓣型浮动环密封间隙液膜动压力的影响，获得 液膜刚度系数和阻尼系数等动态特性，发现浅槽环瓣型浮动环密封具有良好的稳定性。 2 0 0 7 年，w e n b od u a n 等网认为当流体动压力与摩擦力、浮环质量达到平衡时，浮环便 在稳定偏心率下工作，这时浮环密封可看成是环形密封。作者利用环形密封相关理论， 采用紊流整体流动模型和m o o d y 壁面摩擦系数方程，建立了3 d 非线性微分方程，得到 了浮环密封的泄漏率以及动态特性系数，并与实验结果进行了对比。 2 4 研究现状分析 从上述对国内外有关环形密封及浮环密封研究状况中可以看出： ( 1 ) 对环形密封的理论研究主要有两种方法，一是采用整体流动模型假设，此方法 大多需要自编程序，对不同结构适应性较差，且费时、费力；二是通过c f d 建模，可 以考虑任意结构型式，能够更全面准确地反映流体流动特性。 ( 2 ) 浮环密封理论与轴承润滑理论以及环形密封理论非常相似。对浮环密封的研究， 国内外学者基本上都是通过数值计算的方法模拟浮环工作状况，而利用c f d 方法求解 浮环密封间隙内流场未见相关文章发表。 ( 3 ) 国内外学者对浮环内表面开各种槽型的理论研究比较欠缺。 9 第三章c f d 计算方法及普通浮环密封气相流场数值模拟 第三章c f d 计算方法及普通浮环密封气相流场数值模拟 3 1c f d f l u e n t 软件简介 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是以经典流体动力 学、数值计算方法与计算机科学等为基础的- f - j 新型学科，它的基本思想可概括为： 在时间域和空间域上，把温度、速度和压力场等连续的物理量，用有限多个离散点 的物理量值的集合来代替，并建立关于这些离散点上物理量之间的代数方程组，最 后通过计算机数值计算和图像显示，得到离散点上的场变量的近似值，从而达到对 物理问题研究的目的【5 9 】。 目前，工程计算中通用的商用软件有a n s y s 、p h o e n i c s 、f l u e n t 、c f x 、 c f d a c e + 等。本论文利用f l u e n t 软件完成浮环密封环形间隙流体流动特性计 算。 f l u e n t 软件主要包括三个程序模块：前处理器、求解器、后处理器。 f l u e n t 前处理软件g 锄b i t 软件，主要功能有建立几何模型，划分多种形状的 网格，选择控制好方程，定义流体属性参数，和指定边界条件、初始条件等。 求解器是数值求解计算的核心。根据离散原理不同，数值求解方法主要有限差 分、有限元和有限体积法等。有限差分法发展较早，比较成熟，主要用于双曲型和 抛物型问题；有限元法求解速度较有限差分法和有限体积法慢，应用较少；有限体 积法计算量相对较小，是目前最广泛的的一种数值求解方法。 后处理器主要功能是把计算结果显示出来，如矢量图、等值线图、流线图、云图、 粒子轨迹图、x y 散点图等。 3 2c f d 仿真计算步骤 3 2 1 建立数学模型 建立数学模型就是建立流场内各个变量之间关系的微分方程组以及这些方程相对 应的定解条件。定解条件主要包括初始条件和边界条件，它是控制方程有确定解得前提。 流体基本控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。考虑到实际工 况，大多数流动处于湍流状态，需增加湍流方程。 l o 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 ( 1 ) 质量守恒方程 质量守恒方程也称连续性方程，根据连续介质假设，流入的流体质量与流出的流体 质量之差等于封闭空间中流体质量的变化，在直角坐标系下的表达式为： 望+ o p u + 塑+ 0 p w ：0( 3 1 ) 况苏 砂 瑟 式中：广密度，k g m 3 。 卜时间，s ； z 广速度在x 方向的分量，m s ： r 速度在y 方向的分量，m s ： m 一速度在z 方向的分量，r r d s 。 若流体为定常流动，有印o t = 0 ，式( 3 1 ) 简化为： 一0 p u + 塑+ 塑：0 ( 3 2 ) 瓠 动d z 若流体不可压，有d p d t = 0 ，式( 3 - 1 ) 简化为： 塑+ 鱼+ 坐：0 一( 3 3 )+ + =【3 - 3 ) 瓠谚 a z ( 2 ) 动量守恒方程 任何流体流动问题也都必须满足动量守恒定律。该定律可描述为：控制体中流体的 动量随时间的变化率等于外界作用在流体微团上各种力之和。根据这一定律，可导出动 量守恒方程，也称纳维埃一斯托克斯方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) ： pou：一望+丝旦u)+矽z“d。t o x30 x 、 7。 p 告= 一考+ 譬昙o y u ) + 胛2 v c 3 4 ， pdw：p乙一op+丝旦u)+zwdt0 z30 z 、 7 式中：旦：旦+ 材旦+ v 旦+ w 旦一欧拉导数； d t 西 玉 砂 力 第二三章c f d 计算方法及普通浮环密封气相流场数值模拟 v z ：罢+ 篓+ 篓一拉普拉斯算子； 叙2 加2 瑟2 d i v u ：丝+ 生+ 塑一速度u 的散度； u 、，、妒一速度u 在x 、”z 方向上的分量，m s ； 瓜k2 r _ 体积力在x 、y 、z 方向上的分量，n m 3 ： 旷流体密度，k # m 3 ； 广流体的动力粘度，p a s ； r 绝对压力，p a 。 ( 3 ) 能量守恒方程 包含有热交换的流动问题必须满足能量守恒定律。该定律可描述为：流体微元体中 能量的增加率等于给微元体的加热率加上对加微元体的功率。根据此定律，能量方程可 表示为： a ( p t ) + 螋+ 旦鲤旦+ a ( p w t ) ：丢( 毒罢 + 参( 毒多 + 昙( 毒警 + 品 。5 ) 式中：节一比热容，j ( 蚝k ) ； 卜温度，k ； 卜流体导热系数，w ( m k ) ： u 、，、妒一速度u 在x 、j ，、z 方向上的分量，m s ： 蹄一粘性耗散项。 3 2 2 确定数值计算方法 确定数值计算方法就是确定控制方程、边界条件以及初始条件的离散化方法，如有 限元法、有限差分法、有限体积法等。有限体积法是将空间区域划分为无数个小体积微 元，每一个体积微元代表一个节点，通过在每个节点上建立离散方程，并建立各个节点 之间的关系，最后求解离散方程组，得出各个节点的特性。 3 2 3 编制计算程序 编制计算程序是一个非常费时的过程，主要工作内容包括计算网格划分、初始条件 和边界条件设置、流体物理参数设定以及计算精度的选择等。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕卜学位论文 进行完上述设置之后，便可以对具有定解条件的代数方程组进行迭代计算，由于网 格形状或大小、离散差值格式、时间步长等原因可能会导致解的振荡或发散，因此，需 随时监视对解的收敛性，当到达指定精度后，结束求解。 3 2 4 计算结果显示 完成数值求解过程后，便可以把计算结果以图表的形式表示出来，如线值图、等值 线图、矢量图、云图、流线图等。 3 2 5 总体计算流程 建立控制方程 确立初始条件及边界条件 划分计算网格，生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 判断解是否收敛? l 显示和输出计算结果 图3 - 1c f d 工作流程图 f i g3 - 1 c f dw o r k i n gf l o w c h a r t 通过上述分析，利用f l u e n t 软件来模拟流体流动特性，其求解过程可用图3 1 来 表示。 3 3 普通浮环密封模型建立 1 3 第! 章c f d 计算方法艟营姐得环街封气拥流场散值楗拟 3 3 1 几何模型建立 图3 2 普通浮环密封结构示意图，当浮环受到的浮升力与它自身的重力、摩擦力达 到平衡时，浮环使在固定偏心率下稳定运转，可看成环形密封，几何模型如图3 - 3 所示。 吼为轴颈中心，o 为浮环中心，e 为浮环偏心距，轴颈绕0 6 以转速c o 逆时针旋转。转 轴直径d = 1 0 79 7m m 、密封环宽度l - 1 0m m 、半径间隙h 0 - - 0 0 1 5m m ，空气的动力粘度 c = l7 8 9 4 1 0 一p as 。 图3 0 普通捍环密封流体膜模型 f i 9 3 - 4f l u i d f i l m m o d e l o f c o m m o n f l o a t i n gr i a gs e a l 1 4 中田石油大聿( 华东) 磺学位论文 普通浮环密封的流