往复式压缩机类迷宫螺旋密封性能研究分析

1、往复式压缩机类迷宫螺旋密封性能研究分析1、刖舌迷宫密封是一类在压缩机、航空发动机、汽轮机等动力机械中广泛应用的非接触密封方 式，传统迷宫密封加工过程较为繁琐，对加工工艺要求很高，实际生产中企业将迷宫密封加 工成双侧螺旋齿，其外形与螺旋密封相似，称它为类迷宫螺旋密封1-2。鉴于其特殊的加 工工艺，密封性能也必有别于传统迷宫密封，当螺旋升角减小并无限接近于零度时即为传统 迷宫密封。以计算流体力学软件fluent为平台，对类迷宫螺旋密封的内部流场进行数值模拟3, 深入探讨类迷宫螺旋密封缸径与活塞上螺旋齿旋向配合问题，将类迷宫螺旋密封与迷宫密封 在密封原理、密封性上进行比较，分析企业生产方式的可行性。

2、2、类迷宫螺旋密封原理及密封性能2. 1类迷宫螺旋密封原理作者对类迷宫螺旋密封原理进行了详细研究，得出以下结论，具体分析过程见参考文献 1,槽向能量损失计算公式：久=工妇+工勺 （1）式中，为水头损失总和，hj为局部水头损失，为沿程水头损失。类迷宫螺旋密封在整个过程中总的能量耗散量为类迷宫密封能量耗散与槽向能量耗散 之和，即：pw=pf+pj2. 2类迷宫螺旋密封密封性能双侧齿类迷宫螺旋密封缸径与活塞上都存在螺旋齿和螺旋槽，那么不可避免的在双侧槽 向上都存在流体流动。活塞与缸径表面间的缝隙呈带凹槽的环形柱面，形成蜂窝状空腔 4-5,较单侧齿密封更有利于壁血阻滞作用阻碍透气现象，且形成密封的紊流

3、工况，密封 性能更好。缸径与活塞上螺旋槽旋向配合不同，槽向上的流体运动趋势不同，那么产生的密封效果 也必然不同。通过宏观观察可以发现，旋向相同模型的交叉点比旋向相反模型的交叉点少很 多，旋向相同的模型槽向通道更为连续，更有利于流体的泄露，在交义点处两侧流体分量产 生较为强烈的涡旋，促使能量的耗散，密封性能较差。槽向流体与越过齿顶的流体之间存在能量的交换，并不完全独立于空腔而沿槽向流动, 为方便研究，利用有限元思想，将密封空腔沿轴向划分为无数微元，每个微元空间内流体都 可看作槽内流动与越过齿顶的流动相互独立，在任意位置槽向流体速度与间隙速度都满足关 系：v槽向=v间隙sina；a:螺旋升角。双侧

4、齿类迷宫螺旋密封较单侧齿类迷宫密封空腔内部存在更为复杂的三维流体流动，存 在槽向能量耗散与类迷宫能量耗散的同时，缸径与活塞上槽向流体分量还存在着能量的交 换，密封性能有所提高，而旋向配合影响到这部分能量耗散的强弱。3、模拟分析3. 1控制方程密封i'可隙及密封腔内的流体流动形式实际上是一种复杂的三维湍流过程，因此三维模型 的数学模型可采用压缩流对称流动的雷诺平均navier-stokes方程以及k-湍流模型进行数值模拟6-7 o在求解密封空腔内流体过程屮，将质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程釆用通 用变量的方法进行求解8,则可表示成以下通式：+ div(pv(fi-vgradfj

5、) =(2)连续方程屮取:e=i, r=o,q=o, e=u、f$=u审对于x方向动量表达方程：(3)0爲才frr 加 -可+加（乔）(4)% = -尹+ d沁竽)z(5)选取标准k-湍流模型。湍流动能表达方程:q尸 gir p £(6)选取标准壁面函数模型，湍流耗散率方程为:0 = £心=如 g%icg -c2p) (7)湍流动能牛成项为：_ 3w 3可亦 *1 dxj dxi dxj(8)选取有效粘性系数为：u-ui+ut, uf=cup 矽 £。3.2计算模型的建立设定模型长度为40mm,活塞上齿数为7,间距为4mm,缸径上齿数为16,间距为1. 7, 图1

6、为迷宫压缩机屮活塞与气缸之i'可的迷宫密封二维几何模型。式中,为螺旋升角，s为导程，d为活寒中径。由公式(9)可知：对于特定模型来讲，空腔深度一定时螺旋升角只与螺距有关。当类迷 宫螺旋密封螺旋升角为0度时即为传统迷宫密封，为使模型与实际生产更为接近，使类迷宫 螺旋密封与迷宫密封其他参数不变，仅令迷宫密封中的齿距与类迷宫螺旋密封的螺距相等, 由此建立旋向相同与旋向相反的类迷宫螺旋密封模型。3.3网格划分网格划分质量直接影响到fluent计算结果的敛散性和计算速度9。木文采用 gambit2. 0在复杂的迷宫空腔内生成结构化/非结构化的混合网格。该种划分方式不至于使 网格过密导致泄漏量过于

7、理想，在工程实际屮失去参考价值;也避免了网格划分过于稀疏会 导致泄漏量过大，划分结果如图2、图3所示。图2旋向相同的类迷宫图3旋向相反的类迷宫螺旋密封三维网格燃旋密封三维网格3. 4模拟结果及分析9tlte2«s4e*7e“ 轴 2“ta50&e2e5«9e2ehgj/山方.4cn.qn上jj月.0j 二.q lilllttl i i 98.7 乩 4 4 32.ik 6图4旋向相同的类迷宫螺旋密封二维湍流粘度云图11lfde* m心 132,125e hl i.oae< 9j2t- 9,03e- aj it-2 tib 8j7e- 54 l)e- "

8、;(k ule- 2j3e- l94e- l.d5e-l图5旋向相反的类迷官螺旋密封二维湍流粘度云图11uoel61e1.52elj5e2.1au佃5.4 fle 4vg0e 3.71e 24j3e1.05ed d d d d 0 d d 0 0 d 0 0 0 d d d d d d du图6迷宫密封二维湍流粘度云图1l.tse l.tde lj51e 152e 1.43e lj35e i26e 1.17c kd8« 9.92e 9.d3e.he 72be.37« 5.4 8e 4jb0« am 2j3c】j94e 1 l7cd d dd dd d dd dd

9、dd d 0d 0 dd0 drtm 加u图7三维迷宫密封湍流粘度剖而云图通过对图4与图5观察对比不难发现，旋向相反的类迷宫螺旋密封空腔内湍流较为强烈, 由于缸径上小齿的分流作用，使得湍流屮心在整个空腔的上部，且个别空腔出现多个湍流屮 心的情况，这与单侧齿迷宫密封湍流中心分布在空腔中部的情况在密封性能上具有优势;在 小齿和大齿的交叉点处，由于旋向相反流体有不同的流动趋势，两者能量相互抵消从而减弱 了槽向泄露，而旋向相同的两齿在槽向上有相同的运动趋势，两者并不存在明显的能量的抵 消情况。观察图6图7发现，二维双侧齿迷宫密封与三维模型一样，在个别空腔由于小齿分流的 作用存在多个湍流中心，湍流粘度梯

10、度变化程度相差不大。通过图5与图7的观察对比发现，反向类迷宫螺旋密封与迷宫密封湍流粘度梯度变化程 度相差不大，但类迷宫螺旋密封存在明显周向速度，空腔底部能量耗散降低。2j9e<0 2.17e-0 2.d9c<0|g0i72o01.3de«dlt9e-0 l37e-0 !29c-0li5c-bl.d3e«0 9.19e-0 8.d5e-0 6,9)e-d4jj4o-d 3joe«d 2.39e«0122e«bcjmd2.93d2/ezdpjnn图8旋向相反的类迷宫螺旋密封二维局部速度矢量图bddddddddd002.4 3 2.3 2

11、o2,1 so 2.03e ig u-se mm 1.4% 1j1oli 6e .02e2.96e-d37 3e l2恥 54j 3e 4r3fie 2j3e图9旋向相同的类迷宫螺旋密封二维局部速度矢量图观察图8与图9可以发现，旋向相反的类迷宫螺旋密封槽向速度略小于旋向相同的类迷 宫螺旋密封，这是由于旋向相反时大小齿有相反的槽向运动趋势，但小齿槽向流动受到大齿 槽向流动的影响改变了原有的运动趋势。在此过程中存在能量的耗散，而旋向相同的类迷宫 螺旋密封大小齿存在相同的槽向运动趋势，也进一步说明旋向相反的类迷宫螺旋密封性能优 于旋向相同的类迷宫螺旋密封。通过观察图10与图11可以发现，迷宫密封速度

12、存在部分周向偏转，三维迷宫密封较二 维模型更能体现速度在空腔屮的方向分布。2j3lo*d 2恥d 2®dijstei.t45 ljb?e lle u9e lte l.lea l.d4© 926- 8.129 qte 5j32e 4j56e 3" 2j6eude 4j3«eddd dd d图10二维迷宫密封速度矢量图2.310 22 t 2.m ：j7e<0 l.a5e*0 lj4e-d !j62e«l l51e*0 !j9e<0 127q 1.1 6ewc "晁0 g皿o 04205脱ao 4月盹0：2ue-0 1.3r-

13、0图11三维迷宫密封速度矢量剖佰图类迷宫螺旋密封（图8、图9）与三维迷宫密封（图11）对比发现，有较为明显的周向速度, 存在槽向泄銀，由于周向速度的存在，湍流并不如传统迷宫密封完整。3. 5泄漏量分析通过fluent三维数值模拟分析可得到类迷宫螺旋密封与迷宫密封的泄漏量，由于“粗 糙间隙”计算法适用于模型节流片间距较小、节流宽度不大的模型，故可将计算所得数据与 实验模拟结合进行对比10。pm式中g为泄漏量，f为剪切力，h为间隙宽度，p0为入口压力，pn为出口压力，vo为 初始速度，1为间隙总长度，单位为kg/s。由于类迷宫螺旋密封螺旋升角的存在，式川间隙 宽度1、初始速度分别满足如下关系式：=

14、cos m迷宫；u类=cos qu迷宫；迷宫cos a实验结果与理论推导结果对比如表1所示，类迷宫螺旋密封密封性能不如传统迷宫密 封，泄漏量计算结果的变化趋势和此前分析的速度及湍流粘度变化是一致的。在实际生产屮, 考虑齿数疏密的情况，在螺旋升角很小的情况下两者密封性能相差不大，三维模拟计算出的 数据与理论推导出的结果相近，验证了方法的可行性。密封类型二维模拟结果三维模拟结果粗糙间隙结果类迷宫 螺旋密封旋向相同0.0293().0307旋向相反0.02860.0299迷官密封0.02940.02780.0291表1泄漏量模拟结果与计算结果对比(kg/s )4、结论(1) 双侧齿的迷宫密封与类迷宫螺旋密封较单侧齿更有利于流体能量的耗散，密封性能