衍生T形槽干气密封稳态性能研究.pdf

第 21 卷 第 3 期 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 105 收稿日期：2023-12-29；修订日期：2024-02-07 Received：2023-12-29；Revised：2024-02-07 基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB2010001）；宁波市“科技创新 2025”重大专项（2020Z112）Fund：National Key R&D Program of China(2020YFB2010001);“Science and Technology Innovation 2025”Major Project of Ningbo City(2020Z112)引文格式：丁雪兴,江安迪,王世鹏,等.衍生 T 形槽干气密封稳态性能研究J.装备环境工程,2024,21(3):105-112.DING Xuexing,JIANG Andi,WANG Shipeng,et al.Steady-state Performance Analysis of Derived T-groove Dry Gas SealJ.Equipment Envi-ronmental Engineering,2024,21(3):105-112.*通信作者（Corresponding author）衍生 T 形槽干气密封稳态性能研究 丁雪兴，江安迪*，王世鹏，丁俊华，蒋海涛（兰州理工大学 石油化工学院，兰州 730050）摘要：目的目的 设计具备双向旋转特点的动压型干气密封端面结构，并展现良好的开启性能，以 T 形槽为优化对象，衍生出一种新型槽型结构。方法方法 借助有限元软件，计算并对比经典 T 形槽与衍生槽型在流场特性和稳态性能方面的差异，探讨不同参数对 2 种槽型干气密封稳态性能的影响规律，揭示衍生槽型的密封机理。结果结果 衍生槽型的开启力高于经典 T 形槽，泄漏率也会增加。随着工况参数的升高，2 种槽型的稳态性能参数近似线性增加，且差异逐渐增大，最小差异达到 6.6%。随着槽深的增加，泄漏率方面的差距在逐渐减小，为扩大衍生槽型的控漏效果，槽深应5 m。开设有引流槽型结构的衍生槽型稳态性能顺序为发散型直口型收敛型，但在文中的工况下，数值差别较小，最大仅为 1.2%。结论结论 相比于经典 T 形槽，衍生槽型具有更强的动压效应，开启性能明显提升。另外，通过开设不同形式的引流槽可以改变气膜的流动特性和干气密封性能。关键词：T 形槽干气密封；微槽流动；衍生结构；仿真计算；增压效应 中图分类号：TB42 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)03-0105-08 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2024.03.014 Steady-state Performance Analysis of Derived T-groove Dry Gas Seal DING Xuexing,JIANG Andi*,WANG Shipeng,DING Junhua,JIANG Haitao(College of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)ABSTRACT:The work aims to design a dry gas seal end face structure with bi-directional rotation characteristics and favorable opening performance,and derive a new groove structure through optimization of the T-groove.The flow field characteristics and steady-state performance parameters of the classical T-groove and the derived groove were compared using finite element soft-ware.The influence of different parameters on the steady-state performance of the dry gas seals was also investigated to reveal the sealing mechanism of the derivative groove.Above all,the derived groove type had a higher opening force compared with the classical T-groove,resulting in increased leakage rate.The steady-state performance parameters of both groove types in-creased linearly with the working condition parameters,and the difference between the two types gradually widened,with a minimum difference of 6.6%.However,as the groove depth increased,the difference in leakage rate decreased.To improve the leakage control function of the derivative groove,the groove depth should be greater than 5 m.The derived groove with a 重大工程装备 106 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 flow-inducing slot structure demonstrated better steady-state performance in the order of:divergent straight convergent.But the difference in values was small,which was up to 1.2%,under selected conditions.The derived groove exhibits a more pro-nounced dynamic pressure effect and significantly improved opening performance compared with the classical T-groove.Addi-tionally,opening different forms of derivative groove can change the flow characteristics and sealing performance of the gas film.KEY WORDS:T-groove dry gas seal;micro-channel flow;derived structure;simulation calculation;pressurization effect 干气密封是一种基于气体轴承发展的非接触密封形式，以其出色的密封性能和长久的服役周期，在石油化工和能源发电等行业的旋转机械轴端封严中得到广泛应用1。该密封利用流体动力学原理，在密封环端面上加工出一定形状的微米级动压槽，依靠旋转环旋转产生的流体动压效应，使密封副保持非接触状态，实现减磨控漏的效果2。为了防止旋转设备因意外反转而导致密封性能失效，并满足于正反转的应用需求，研究人员一直致力于研发新型双向旋转槽型，以获得理想的密封效果，如椭圆形槽、梯形槽和树形槽等3-5。然而，据研究报道，与单向旋转槽型相比，当前多数双向旋转槽会在一定程度上削弱干气密封的开启性能6。因此，设计具有双向旋转特点的动压槽型，并提高气膜的开启力，成为研究的重点。T 形槽是一种常见的双向旋转动压槽型，无论正向还是反向旋转，都能保持良好的密封效果。为了进一步拓宽 T 形槽干气密封的应用范围，并改善其密封性能，国内外专家和学者评估了 T 形槽干气密封的性能表现，并在槽型结构优化和槽底开设微纹理等方面开展了大量的研究工作。李涛子等7通过求解可压缩气体的雷诺方程，得到了 T 形槽干气密封的流场分布。研究发现，端面间压力在槽根处达到最大，且槽区处压力值在圆周方向的下降小于堰区，但两侧差别不大。Zhu 等8-9利用有限元软件计算了等温模型下 T形槽干气密封的气体流量，并详细讨论了槽型参数和工况参数对密封性能的影响规律，给出了不同参数的一般选择原则，为实际应用和发展提供了理论基础。张岳林等10提出了一种变深的 T 形槽干气密封端面结构，并与等深度的端面结构进行了密封性能对比。研究结果表明，在极端工况下，相较于等深结构，变深结构的 T 形槽干气密封在密封性能和稳定性方面更具优势。彭旭东等11计算了在不同参数下 T 形槽干气密封的密封性能，并以最大气膜刚度为优化目标，进一步确定了槽型结构参数的优选范围。Li 等12利用 CFD 软件对不同环向比条件下的 T 形槽干气密封进行了模拟计算，并优化了原有的槽型结构。研究结果表明，改变环向比有效地改善了槽内气膜的压力分布，从而充分利用了槽内空间。关于引流槽形式对T 形槽干气密封性能的影响，王衍等13-14通过仿真计算的方法，探究了收敛型槽对密封性能的实际提升效果，并给出了相关参数的最优值范围。接着，刘杰等15研究了直口型、收敛型和发散型 3 种引流槽形式对 T形槽干气密封性能的影响，提出了在不同压力下引流槽型的选用结构。为了进一步探究引流槽位置对密封性能的影响，陈志等16以发散型引流槽为研究对象，将其开设在密封环的外侧、中部及内侧。通过对比计算结果发现，引流槽开设在外侧的 T 形槽具有更好的流体动压特性和密封性能。另外，通过在 T 形槽槽底开设纹理也是改善密封性能的有效方式之一。Wang等17计算并分析了槽底定向纹理表面对 T 形槽干气密封性能和稳定性的影响。研究结果表明，方向纹理具有很好的导流效应，可以提高 T 形槽密封的性能和稳定性，但要注意在高转速工况下，纹理的扰流效应对开启性能造成的削弱。为了深入研究槽底纹理形式和方向效应对 T 形槽干气密封性能的影响，王竞墨等18比较了4种微纹理结构的T形槽密封性能，结果表明，工况参数对微纹理槽型动力学的影响较弱，微纹理的径向排列比周向排列产生的动压效果更好。以上研究工作为 T 形槽干气密封性能研究提供了较为全面的思考，并针对其动压效应不足问题提出了一定的解决方案。此外，以原动压槽型为基体，通过附加动压槽或密封堰形成一系列衍生结构，也是优化原有槽型密封性能的一种途径19。然而，目前对经典 T 形槽衍生结构的研究鲜有报道，因此有必要开展相关研究以揭示其对原有槽型密封性能的影响规律。本文基于经典 T 形槽端面结构，添加了一个二级T 形槽，衍生出一种新型端面干气密封结构。利用Fluent 软件对衍生槽型进行流场计算，探讨了工况参数和结构参数对其稳态性能参数的影响规律。同时，与经典 T 形槽在流场特性和密封性能方面进行对比，以验证衍生结构在提升密封性能方面的有效性，为优化 T 形槽结构提供理论参考，促进在工程中更多地应用。1 计算模型建立 1.1 几何模型 T 形槽和衍生槽（ST 形槽）的端面几何结构如图 1 所示。其中，ro和 ri分别为密封环的外半径和内半径；rg和 rgs分别为第一级 T 形槽和第二级 T 形槽的槽根半径；rt和 rts分别为一级 T 形槽和二级 T 形 第 21 卷 第 3 期 丁雪兴，等：衍生 T 形槽干气密封稳态性能研究 107 图 1 T 形槽和 ST 形槽端面结构示意 Fig.1 Structural diagram of T-groove and ST-groove 槽的平衡半径；和 W1为 T 形槽边线角度；W2/2 为 T形槽边线与周期边界的夹角，其中（槽台宽比）=W1/(W1+W2)；1和 2为不同形式的引流槽开设角度。根据表 1 给定的计算参数，构建用以模拟计算的气膜模型。表 1 T 形槽及 ST 形槽气膜模型的几何参数 Tab.1 Geometric parameters of gas film models of T-groove and ST-groove 计算参数 数值 ro/mm 77.78 ri/mm 58.42 rg/mm 69 rgs/mm 63.5 rt/mm 73.39 rts/mm 66.5/()10 0.5 1/()45 2/()45 槽深 hg/m 5 槽数 Ng/个 10 气膜厚度 h0/m 2 1.2 数学模型 1.2.1 基本假设 为便于气膜流场的计算及后续分析，做出如下假设20：端面间隙内的气体符合连续介质假设，且与端面无相对滑移；忽略气体惯性力和体积力的作用；由于气膜厚度为微米级，与轴向尺寸数量级相差较大，忽略压力沿膜厚方向的变化；在运行过程中，密封副端面始终保持平行，且为稳态运行，故气膜按照恒膜厚处理。1.2.2 控制方程 基于以上假设，密封副间的气膜流动规律须满足质量守恒方程和动量守恒方程，具体表达形式为21-22：0v (1)vvp (2)式中：为拉普拉斯算子；为密度，kg/m3；v为流速，m/s；p 为压力，MPa。1.2.3 流态模型的选取 为了准确描述微尺度气膜的流动规律，需选择合适的流态模型进行模拟计算。此处采用Brunetire等23提出的流动因子 作为流态判定条件。经过计算，即使在工况参数取得最大值的情况下，仍然小于9/16，属于层流范畴，故本文在计算气膜流域时选用层流模型。1.2.4 稳态性能参数24-25 1）开启力。密封端面在运转时的非接触状态，依靠于气膜压力作用在动静环端面产生开启力，其计算公式为：1dSFp A (3)2）泄漏率：2vdSQqA (4)式中：S1为气膜压力受力总面积，m2；S2为流道流通面积，m2；qv为体积流量，m3/s。2 仿真计算过程 2.1 边界条件与求解设定 采用 ICEM 软件完成对流体气膜的边界条件设108 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 定和网格划分，具体情况如图 2 所示。将划分完的网格文件导入 Fluent 软件中实现模拟计算，介质选取空气，设定工况条件和介质物性参数26。在求解设定中，采用 Simplec 收敛算法耦合求解流体连续性方程以及运动方程。采用 Standard 插值格式实现对压力的差分求解。对于动量项的处理，选用 Quick 格式。设定松弛因子并开启残差监控项，变量初始化后进行求解计算。图 2 流体气膜的边界条件设定及网格划分（厚度方向放大 1 000 倍）Fig.2 Boundary condition settings and grid division(magnified 1 000 times in thickness)of liquid gas film:a)T groove;b)ST groove 2.2 网格无关性验证 为了获得准确的计算结果，并减少计算资源的消耗，本文以直口型 ST 形槽为例，计算了不同网格数量下的气膜压力分布和稳态性能参数数值，以验证网格无关性27。根据图 3 和图 4 的计算结果，当网格数量较少时，开启力和泄漏率随着网格数量的有明显变化趋势，且气膜压力分布较为松散。然而，当网格数量达到 16 万后，开启力和泄漏率的变化曲线趋于平缓，最大变化率仅为 2%和 0.6%，而且气膜压力分布更加集中，压力峰值几乎没有变化。因此，文中将划分的网格数量控制在 16 万左右。2.3 正确性验证 为了评估文中关于计算密封性能参数数值的可靠性，采用文中所提及的计算方法对文献28中的槽型结构和工况条件进行仿真验证，文献值和计算值如图 5 所示。对照图 5 中的数值可以得出，二者的压力分布数值沿半径变化趋势一致，吻合度较好，并且偏 差不超过 5%。因此，可以认为本文的计算方法是可行的，计算结果具有很高的可信度。3 结果分析与讨论 针对 T 形槽及 ST 形槽干气密封，利用 Fluent 软件对端面间的气膜流域进行计算，对比 2 种槽型的流场分布和稳态性能表现，并探讨稳态性能随工况和结构参数的变化规律。3.1 流场分布 以转速为 6 000 r/min、进口压力为 1.0 MPa 的工况参数进行计算，2 种槽型的气膜压力和流线分布情况如图 6 所示。可以看出，ST 形槽的气膜压力峰值明显高于 T 形槽，并且槽内介质的流动情况更为复杂，这是因为存在二级 T 形槽，从而增加了密封堰对气体流动的阻碍作用，产生了二次增压效果，展现出更加明显的动压特性。此外，由于进口两侧密封堰对气体流动的阻碍，在二级 T 形槽进口处形成了一个高 图 3 不同网格数量下的气膜压力云图 Fig.3 Distribution of film pressure under grid numbers 第 21 卷 第 3 期 丁雪兴，等：衍生 T 形槽干气密封稳态性能研究 109 图 4 密封性能参数随网格数量的变化曲线 Fig.4 Variation curve of sealing parameters with grid numbers 图 5 文献值与模拟值的压力沿径向分布曲线 Fig.5 Pressure distribution curve along radial direction between reference and simulation 图 6 2 种槽型的气膜压力及流线分布 Fig.6 Distribution of film pressure and streamline of grooves:a)T groove;b)ST groove 压区（如图 6b 中虚线圈处），为了促进气体进入动压槽内，可以对引流槽的形式进行比较研究。3.2 工况条件对稳态性能的影响 3.2.1 转速 选取转速为 2 00010 000 r/min、进口压力为1.0 MPa 的工况条件对 T 形槽和 ST 形槽的稳态性能参数进行计算，对比探究 2 种槽型稳态性能在转速影响因素下的差异性，相应的计算结果及变化曲线如图7 所示。可以看出，2 种槽型的开启力和泄漏率均随着转速的增加而不断增大，且 ST 形槽的开启力和泄漏率总是大于经典 T 形槽，最小差异也达到了 6.6%。这是因为 ST 形槽的动压效果比经典 T 形槽更加明显，气膜开启力提升得更多，泄漏率也更大。进一步观察可见，2 种槽型的稳态性能参数增长速率较为平缓，说明转速对 T 形槽及其衍生槽稳态性能的影响较小。这归结于 T 形槽自身对转速的变化不太敏感的原因，体现出相对稳定的密封性能。3.2.2 进口压力 选取转速为 6 000 r/min、进口压力为 0.52.5 MPa的工况条件对 T 形槽和 ST 形槽的稳态性能参数进行计算，对比探究 2 种槽型密封性能在进口压力影响因素下的差异性，相应的计算结果及变化曲线如图 8 所示。可以看出，随着进口压力的增大，2 种槽型的开 图 7 稳态性能参数随转速变化曲线 Fig.7 Variation curve of performance parameters with rotational speeds 启力和泄漏率均呈现出近乎线性增长的趋势。这是因为进口压力直接改变着干气密封的稳态性能，且相对于转速条件来说，影响程度更高。进一步来说，ST形槽的开启力和泄漏率数值始终高于经典 T 形槽，且在高压工况下二者之间的差异更加明显，几乎达到 2倍左右。这是因为进口压力的提高，使得流体的动压效果得到显著增强，加之二级 T 形动压槽的增压效果，极大程度地提升了动压特性，从而增加了 ST 形槽的开启力，造成数值上的过大差异。同时，进口压力的增大将导致气流的径向压差变大，加剧了气体的110 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 流动，使泄漏率上升。因此，在未来的槽型优化研究中，不仅需要关注开启性能的提升，还要将对泄漏率的控制纳入考虑范围内，综合改善密封性能。图 8 稳态性能参数随进口压力变化曲线 Fig.8 Variation curve of performance parameters with inlet pressures 3.3 槽型结构参数对稳态性能的影响 3.3.1 槽深 选取槽深为 37 m，在转速为 6 000 r/min、进口压力为 1.0 MPa 的工况条件下对 T 形槽和 ST 形槽的稳态性能参数进行计算，对比探究 2 种槽型密封性能在槽深影响因素下的差异性，相应的计算结果及变化曲线如图 9 所示。随着槽深的增大，2 种槽型的开启力和泄漏率都在不断增大，但开启力的变化更加剧烈，这表明槽深的变化对干气密封的开启力产生较大影响。同样，ST 形槽的开启力和泄漏率始终大于经典 T 形槽，这说明槽深的增加使更多气体流入动压槽内，提升了干气密封开启性能。但 2 种槽型泄漏率之间的差异随着槽深的增加逐渐缩小，这表明在大槽深下，ST 形槽对气体的反向泵送效应得到增加，起到了减少泄漏的作用。因此，为保证 ST 形槽具有较低的泄漏率，可将槽深取值范围在 5 m 以上为宜。图 9 稳态性能参数随槽深变化曲线 Fig.9 Variation curve of performance parameters with groove depths 3.3.2 引流槽类型 为探究不同形式的引流槽对 ST 形槽干气密封稳态性能的影响规律，根据图 1 和表 1 给出的结构参数，选定转速为 6 000 r/min、进口压力为 1.0 MPa 的工况条件，进行气膜流场模拟及稳态性能参数计算，具体结果如图 10 所示。图 10 不同引流槽形式下 ST 槽型流场分布及 稳态性能参数计算 Fig.10 Calculation result of flow field and performance pa-rameters of ST groove with different drainage grooves:a)flow field distribution;b)performance parameters 由图 10a 中的流场计算结果可以看出，开设有发散型和直口型引流槽的 ST 形槽压力峰值均为1.42 MPa，高于收敛型引流槽的 1.39 MPa。因此分析可知，收敛型引流槽会降低二级 T 形槽的泵吸效应，对 ST 形槽的动压特性起到一定的削弱作用。此外，在流动特性方面，由于发散型引流槽的特殊进口结构减少了进口堰区对气膜流动的阻碍作用，会更有利于第 21 卷 第 3 期 丁雪兴，等：衍生 T 形槽干气密封稳态性能研究 111 气体流入动压槽内。根据图 10b 所示结果，在开启力方面，3 种引流槽型结构的干气密封排列为发散型直口型收敛型，但在此工况下三者数值差别较小，最大差异仅为 1.2%，而泄漏率的对比结果也符合同样的规律。因此，为有效避免在低压和低速工况下，干气密封存在开启力不足的问题29，在选择引流槽形式时，可选择发散型、直口型或近直口收敛型的引流槽结构。4 结论 1）由于存在二级 T 形动压槽，ST 形槽密封堰对气体流动的阻碍作用增强，从而产生了一定程度的二次增压作用，动压特性得到改善，使得 ST 形槽气膜压力峰值高于经典 T 形槽，且槽内流体流动情况变得复杂。2）相较于经典 T 形槽，ST 形槽提高了干气密封的开启性能，更有利于密封端面的可靠开启，但泄漏率也将增加。随着工况参数的升高，稳态性能参数均以近似直线的形式增长，且两槽型间的数值差异逐渐增大。然而，随着槽深的增加，2 种槽型干气密封的泄漏率差距却在减小，这说明 ST 形槽在大槽深下时的适用性更好，在提升开启力的同时，也将降低密封介质的泄漏。3）通过对照开设有不同引流槽形式的 ST 形槽流场分布及稳态性能参数，在选定工况条件下，发散型和直口型引流槽在动压效果和开启力方面的表现优于收敛型引流槽，而且发散型引流槽使介质流动情况更好。因此，相较于其他 2 种引流槽形式，发散型更具实用性。参考文献：1 朱喜龙.T 形槽干气密封在循环氢压缩机中的应用J.大庆石油学院学报,2006,30(2):64-66.ZHU X L.Application of T-Shaped Trough Dry-Gas Sealing to Cycle Hydrogen CompressorJ.Journal of Daqing Petroleum Institute,2006,30(2):64-66.2 杨惠霞,王玉明.泵用干气密封技术及应用研究J.流体机械,2005,33(2):1-4.YANG H X,WANG Y M.Technology and Industrial Ap-plication of Dry Gas Seals for Centrifugal PumpJ.Fluid Machinery,2005,33(2):1-4.3 谢静.椭圆型槽气体端面密封热动力润滑特性理论与实验研究D.杭州:浙江工业大学,2020.XIE J.Theoretical and Experimental Study on Thermo-dynamic Lubrication Characteristics of Elliptical Groove Gas Face SealD.Hangzhou:Zhejiang University of Technology,2020.4 莫陇刚,丁雪兴,严如奇,等.仿树形槽干气密封稳态性能分析J.润滑与密封,2022,47(12):68-74.MO L G,DING X X,YAN R Q,et al.Steady-State Per-formance Analysis of Dry Gas 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