泵用不可压缩流体密封刚度系数分析

泵用不可压缩流体密封刚度系数分析针对不可压缩流体密封弹性支承的问题，分析了负刚度产生的原因。选用三维流动模型，数值求解Navier-Stokes方程。采用k-ε湍流模型，计算LNG泵的节流衬套和口环密封的动力特性系数，分析在LNG泵不同转速工况下，不可压缩流体密封的动特性变化，并与2倍间隙密封的动特性相比较。模拟了密封腔内部流场，通过分析比较密封圆周上压力和速度分布，研究等截面环形产生负直接刚度的原因和影响因素。研究结果说明：等截面环形密封和槽道式密封的1倍间隙直接刚度小于2倍间隙，1倍间隙交叉刚度大于2倍间隙，密封磨损后稳定性反而提高;转速升高使等截面环形密封和槽道式密封的直接刚度下降，交叉刚度增大，造成稳定性下降;等截面环形小间隙密封，在高转速工况下容易产生负直接刚度，影响转子的稳定性，工程上建议采用槽道式密封控制不可压缩流体泄漏。

泵叶轮入口轮盖与进口导流管间存在动静间隙。部分高压流体经叶轮出口间隙外泄，并重新回流至泵入口，这股回流既消耗主泵的功率，也干扰主流场流动，同时减小有效通流面积，降低泵的流动效率和性能。为了尽量降低这种泄漏，在动静间隙上设置非接触式不可压缩流体密封。

非接触式密封技术广泛应用在泵等旋转机械中，它能够有效控制旋转部件与静止部件间的泄漏。对于转子动力系统，密封会提供附加的刚度和阻尼，这对转子的稳定性造成一定的影响。Childs等对控制体方法不断改良。Arghir等发展了CFD方法，并计算动力特性系数。Benckert等做了大量的关于动力特性的实验，并证明密封的交叉刚度是由密封周向流动引起的，他们在实验中测量了不同类型密封的直接刚度，发现较长密封的直接刚度为负值。Leong等[9]蒸汽轮机迷宫密封做了大量试验，结果与Benckert等的测量结果很吻合，多数密封直接刚度为负，少量短密封为正。Mihai等[10]发现进出口压差较小时，出口有回堵现象，动力特性系数中的直接刚度系数出现负值，影响转子的对中效应，转子稳定性差。国内何立东等用实验和数值方法研究动力特性系数。模拟仿真方面，孙婷梅等利用CFD有限元软件Fluent计算迷宫密封三维流场，研究了偏心率、入口预旋、涡动速度对密封动力特性的影响，密封直接刚度维持在负值范围，他们计算出密封周向压力分布曲线，但是没有分析产生负直接刚度的原因。

本文应用数值模拟结合工程实际，利用CFD有限元软件Fluent计算LNG泵的节流衬套和口环密封的动力特性系数，模拟在LNG泵不同转速工况下，不可压缩流体密封的动特性变化，通过分析比较密封圆周上压力和速度分布，研究等截面环形密封产生负直接刚度的原因和影响因素。

密封模型

涡动转子数学模型

本文假设整体计算域为湍流，湍流模型采用标准的k-ε模型，近壁面采用标准壁面函数：

式中：kG表示由平均速度梯度产生的湍动能项，bG表示由浮力产生的湍动能项，MY表示由可压缩湍流中，耗散率的波动项，方程常数项中C1=1.44，2C1.92，C=0.09，还有=1.0k，=1.3分别是湍动能k和湍动能耗散率ε的湍流普朗特数，kS和S是自定义源项，标准k-ε湍流模型是半经验公式。

涡动转子动力学模型

本文采用旋转坐标系，在转子中心定义坐标系，转子与静子的相对位置不变，坐标系变换把非定常问题转换成定常问题。图1所示偏心转子在静子中涡动受力，e为转子偏心距，本文假设转子绕静子中心以圆形轨迹涡动，涡动半径是转子偏心距e，涡动角速度是Ω，转子的旋转角速度是ω，转子的旋转角速度与涡动角速度比值定义为涡动比。涡动轨迹的径向力和切向力Fr、Ft。

图1偏心转子在静子中涡动受力示意图

结论

1)等截面环形密封和槽道式密封的1倍间隙直接刚度小于2倍间隙，1倍间隙交叉刚度大于2倍间隙，密封经过磨损泄漏量增大，稳定性却提高。

2)转速使等截面环形密封和槽道式密封的直接刚度下降，交叉刚度增大，造成稳定性下降，且随转速不稳定隐患成倍增长。

3)对于不可压缩流体，较长的等截面环形密封容易产生负直接刚度，槽道式密封直接刚度通常为正值，比等截面环形密封更加稳定，工程上建议采用槽道式密封控制不可压缩流体泄漏。

4)对于等截面环形密封，高转速容易造成负刚度现象的重要因素，但对于旋转机械，为防止这种现象，工程上建议增大间隙以减小转子不稳定隐患。

影响负刚度的因素很多，在构造参数上，密