狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：任俊杰，许恒杰，宋鹏云狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）；云南省基础研究专项青年项目（）；昆明理工大学校级人培基金项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：任俊杰（），男，硕士研究生，研究方向为流体密封技术。：。通信作者：许恒杰（），男，博士，讲师，研究方向为流体密封润滑理论。：。狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟任俊杰 许恒杰 宋鹏云（昆明理工大学化学工程学院 云南昆明）摘要：为进一步优化提升静压干气密封的气膜开启能力，将狭缝节流器与静压干气密封相结合，设计狭缝节流静压干气密封，采用 软件探究狭缝节流器结构参数和布列方式对干气密封性能的影响。结果表明：与经典小孔节流静压干气密封相比，相同节流面积下狭缝节流静压干气密封具有更高的气膜开启力；狭缝、均压槽周径比对静压干气密封气膜开启力的影响相互独立，存在最佳的周径比使得气膜开启力最大；在径向宽度一定的前提下，均压槽的平面空间越充裕，密封间隙内的气膜高压区范围越广、压力均布效果越好；狭缝沿径向、周向的列数增加均能提升气膜开启力；与周向连续狭缝布列相比，非连续性狭缝布列会导致更高的开启力。关键词：静压干气密封；狭缝节流；稳态性能；气膜开启力中图分类号：（，）：，：；静压干气密封是一种由静压气体润滑轴承理论发展而来的非接触式密封技术，其依靠气源供气、节流器节流、均压腔扩压的工作方式实现对被密封介质泄漏的阻止，具有低磨损、无旋向限制、低速高承载等特点。该技术也是避免动压干气密封在低速启停阶段内气膜稳定性不佳的有效替代方案，被成功用作反应釜、搅拌器等低速旋转设备的轴端密封。针对静压干气密封的开启力优化及稳定性提升是干 气 密 封 学 者 们 长 期 关 注 的 热 点。年，和 提出了一种结构新颖而简单的外加式静压干气密封，通过试验证明了外加压式静压干气密封具有较高的气膜刚度。针对该类静压干气密封模型，国内诸多学者开展了充分的理论探索和试验研究。余建平采用有限差分法系统性地探讨了结构参数和操作参数对外加式静压干密封端面气膜开启力的影响规律。王和顺等基于有限体积法数值研究了不同端面间隙下气膜开启力的变化趋势，并通过试验获得了外加压式静压干气密封端面泄漏率与平衡间隙的关联曲线。为了简化该类静压干气密封的稳定性研究方法，宋鹏云和许恒杰采用解析法推导出了一个刚度解析计算表达式，并以王和顺等的研究结果为参考对象，验证了该表达式的有效性。对于静压干气密封，节流器特性对密封间隙内的峰值压力有决定性作用。周圣人、丁雪兴等聚焦于节流孔的常规特性，分别采用有限元法和数值模拟技术研究了静压干气密封开启力随节流孔数、孔径的变化。随后，车健等人研究了节流孔截面形状及出气模式对静压干气密封性能的影响，指出节流孔出口开设倒角或圆角能提高静压干气密封的开启力，且径向双列节流供气模式可以获得较大的密封开启力。均压槽起着压力均布的作用，对密封端面间的气膜压力分布至关重要。等对比了相同条件下静压、动压干气密封的压力分布曲线，指出均压槽能有效地提高开启力。随后，和 讨论了均压槽宽度对静压干气密封稳态性能的影响。赵艳凤等研究了 种不同类型的均压槽结构对静压干气密封性能的影响，指出均压槽径向开槽比在 范围内时，环形均压槽静压型干气密封可获得较大的开启力。综上，小孔节流是当前静压干气密封的主流节流方式，但小孔节流的孔后压力波动是学者们长期关注的难点。狭缝节流具有线源供气的特点，稳定性良好，但在干气密封领域中尚未见有系统性的研究报道。故而本文作者提出将狭缝节流器与静压干气密封相结合，利用 软件对狭缝节流静压干气密封进行数值模拟，探究狭缝节流器设计形式和结构参数对干气密封性能的影响，为进一步优化提升气膜开启力，进而提高静压干气密封的工作稳定性，从而为静压干气密封面向更多工业领域的应用提供一定的理论基础。计算模型 几何模型静压干气密封的典型结构包括静环、动环、旋转轴以及柔性支撑元件，静环端面上开有均压槽和节流器，润滑气体由外部气源提供，沿静环上开设的导气通道流入节流器中，气体流经均压槽被均匀分布，在气体静压作用下密封面被推开，流动的气体在两个密封面之间形成一层很薄的气膜，经密封间隙的内外侧流出，进而达到阻止被密封介质泄漏的目的。狭缝节流静压干气密封本质上是节流器为狭缝的一类机械密封，具体结构如图 所示。狭缝节流干气密封的密封外径 为 ，密封内径 为 ，节流器位置半径 为 ，狭缝宽度 为，狭缝节流器深度 为 ，狭缝的节流面积 为 ，均压槽宽度 为 ，内径侧压力 为 ，外径侧压力 为 ，气源压力 为 ，气膜厚度 为 ，节流器数 为，均压槽深度 为 。图 狭缝节流静压干气密封端面结构示意 网格划分由于干气密封端面内气膜具有周期性，因此只需任意选取其中的 作为计算域即可，文中选择整个密封端面的 作为计算区域，如图 所示。利用 软件进行网格划分，由于气膜厚度、均压槽深度和狭缝节流器长度等轴向尺寸与端面气膜半径、均压槽宽度等径向尺寸存在数量级上的差别，如采用整体划分网格，会造成正交质量太差。因此，文中在三维建模时将气膜厚度方向增大 倍，然后在将网格导入 软件进行仿真模拟时选择 功能，将网格沿气膜厚度方向缩小 倍。网格划分的方法是遵循由点到线、由线到面、由面到体的原则，分区域进行网格划分，先以交界面为共同面在面上划分网格，然后再将网格沿气膜厚度方向进行拉伸，最终网格数目在 万左右，网格质量在 以上，网格划分结果如图 所示。图 计算域 润滑与密封第 卷图 网格划分示意 求解方法假设润滑气体在密封环界面上无相对滑动，密封间隙内为等温、等黏、层流流动，求解器选择 三维单精度求解器，计算模型为 模型，润滑气体为空气。在温度 时，动力黏度为 ，定压比热容为 （）。气源进口和介质进口选择，出口选择，节流器数为，即计算域的周向角度为，压力速度耦合采用 算法，对流项的离散格式采用二阶迎风格式，收敛精度设置为。密封端面气膜开启力 和质量泄漏率 是干气密封的 个重要性能指标，对于静压干气密封而言，其泄漏率由两部分组成：外侧泄漏率 和内侧泄漏率。开启力和泄漏率的计算表达式为（）（）（）式中：和 分别为计算域内侧、外侧出口边界上的速度矢量；和 分别为计算域内侧、外侧出口边界上的面积矢量。结果与分析 网格无关性检验数值模拟结果的准确性受很多因素的影响，其中一个重要因素是网格的质量。为了减少数值模拟中因网格因素导致的计算误差，需要对网格的独立性进行检验。文中以端面开启力为验证参数，对比了网格数量分别为 、和 的数值模拟计算结果。图 示出了不同网格数对应的端面开启力，可以看出，网格数量在 之间时，端面开启力的相对变化率能够控制在 以内，因网格数引起的计算误差可以忽略。综合考虑数值模拟计算的准确性和时效性，文中选取网格数量为 。图 不同网格数量下开启力变化 模型正确性验证为确保仿真方法和边界条件设置的正确性，选取文献中的案例进行验证。密封环端面结构参数和工况参数为：端面内径为 ，端面外径为 ；节流器类型为小孔节流，节流孔中心处半径为 ，节流孔直径为 ，节流孔长度为 ；均压槽类型为环形均压槽，宽度为 ，深度为 ，内径侧压力为 ，外径侧压力为 ，供气压力为 。文中计算值和文献值的对比如图 所示，可以看出，计算结果与文献结果随介质压力的变化趋势一致，数值相差甚微，整体误差在 以内，说明文中仿真计算方法及边界条件的设置是正确的。图 数值仿真模型计算值与文献值比较 狭缝节流和小孔节流的密封性能对比小孔节流是静压干气密封的经典节流方式，但其稳定性尚有待优化；而狭缝节流器供气点分布均匀，其在静压气体轴承上已有成功应用，但在干气密封上尚没有应用报道。然而干气密封和轴承的工作原理存 年第 期任俊杰等：狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟 有一定的区别，因此为说明狭缝节流器应用于静压干气密封的可行性，首先对狭缝节流与经典小孔节流静压干气密封的性能进行了对比。为确保 种静压干气密封结构性能参数的可比性，其基本参数要保持一致，即 种节流方式的节流面积要相等。图 示出了狭缝节流与小孔节流静压干气密封开启力的对比。可以看出，小孔节流和狭缝节流静压干气密封的开启力均随节流面积的增大而逐渐上升，虽然 种节流方式对应的开启力上升趋势逐渐变缓，但狭缝节流的增大速率高于小孔节流，故而 种节流方式间的开启力偏差逐渐增大。在文中所研究的最大节流面积 处，狭缝节流静压干气密封的开启力比小孔节流高 ，这表明在以开启力为目标的静压干气密封设计中，狭缝节流器具有更大的应用潜力，即狭缝节流在密封静压开启方面优于小孔节流。图 狭缝节流和小孔节流开启力对比 节流器结构参数 均压槽类型图 所示为静压干气密封常用的均压槽示意图，分别为圆形均压槽、椭圆均压槽、扇形均压槽和环带均压槽。种均压槽的径向宽度相同，周向长度由圆形槽、椭圆槽、扇形槽到环形槽逐渐增大，也就是均压槽的面积依次增大，这也可以看作均压槽由圆形到环形的演变过渡。图 所示为不同均压槽类型下均压槽宽度 对密封气膜开启力的影响，可以看出在 的范围内，环形均压槽、扇形均压槽以及椭圆形均压槽狭缝节流静压干气密封的开启力整体表现出先增大后略微降低的趋势。对于圆形均压槽，均压槽宽度对狭缝节流静压干气密封开启力的影响最明显，其开启力在所研究的均压槽宽度范围内呈现先减小、后增大的规律，在 处有最小值。图 均压槽类型示意 ：（）；（）；（）；（）图 不同均压槽类型密封端面开启力随均压槽宽度的变化 从数值上看，种均压槽中圆形均压槽对应的开启力最小，另外 种均压槽间的开启力随着均压槽面积的增大呈现略微抬升的趋势，但整体相差并不明显。在圆形均压槽计算模型中，在 范围内开启力小于无均压槽（）的原因是狭缝节流器的周向长度大于圆形均压槽的径向宽度，导致狭缝节流器的实际节流面积降低，因此进气量小于无均压槽的进气量，最终圆形均压槽的开启力在此范围内小于无均压槽的开启力。为进一步分析 种均压槽类型的密封性能，图 示出了 种均压槽静压干气密封的径向、周向压力分布曲线。从径向压力分布可以看出，压力分布呈现由节流器中心向密封间隙外侧、内侧逐渐降低的趋势，圆形均压槽的峰值压力更高一些，这可能与其均压面积有关。从周向压力分布来看，压力分布同样呈现出由节流器中心沿周向两侧逐渐降低的趋势。从数值上看，虽然圆形均压槽的峰值压力最高，但是其高压区域较窄，反而环带型均压槽静压干气密封具有最广的气膜高压域，其密封间隙内的气膜压力分布更为均匀，故而会导致更大的开启力。润滑与密封第 卷图 狭缝节流静压干气密封压力分布 ：（）；（）综上分析，保持其他参数不变，在径向宽度一定的前提下，较充裕的均压空间能够产生更高的气膜压力分布。从图 可知，对于椭圆、扇形和环形均压槽，当 时，开启力呈现先增后减的趋势，且椭圆、扇形在 时开启力达到最大，环形均压槽在 时开启力达到最大。由此可以认为，在文中研究工况条件下，椭圆、扇形均压槽的宽度取 最为适宜，环形均压槽的宽度取 最为适宜。狭缝节流周径比为探究 种均压槽下狭缝节流的最佳周径比，在节流面积 的前提下，探讨了狭缝周径比，即狭缝周向长度与径向宽度之比对密封性能的影响，如图 所示。可以看出，当狭缝径向宽度大于周向长度时（），种均压槽的开启力变化规律为先增后减，环形均压槽和扇形均压槽的开启力在周径比 时达到最大，而圆形均压槽和椭圆形均压槽开启力在周径比为 时达到高点。当狭缝径向宽度小于周向长度时（），种均压槽的开启力变化规律也表现出先增后减的趋势，环形、扇形和椭圆形均压槽在 时达到最大，而圆形均压槽则在 时达到最大。图 种均压槽下狭缝周径比对开启力的影响 均压槽周径比前文已说明静压干气密封的开启力与均压槽的面积密切相关，但是均压槽的结构参数对静压干气密封开启力的影响尚需探讨。因此，以扇形均压槽为例，在节流面积 的条件下分析了扇形均压槽周径比对开启力的影响，如图 所示。可以看出，随着扇形均压槽周径比的线性增大，狭缝静压干气密封开启力整体表现出逐渐递增的趋势。在扇形均压槽周径比从 增至 的过程中，开启力在均压槽周径比变化前期上升速率较快；然而，当均压槽周径比增至 以后，与均压槽周径比变化前期相比，开启力的上升程度大幅减弱。图 扇形均压槽周径比对开启力影响 狭缝与扇形均压槽的周径比适配性由于扇形均压槽和狭缝具有相似的几何形状，但两者对静压干气密封开启力的影响有不小的差异，因此文中探讨狭缝与均压槽几何尺寸，即两者周径比的适配性对开启力的影响，以期获得较优的狭缝扇形 年第 期任俊杰等：狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟 均压槽组合参数。在狭缝节流面积 为 、扇形均压槽节流面积 为 时，探讨了不同均压槽周径比下开启力随狭缝周径比的变化规律，如图 所示。可以看出，同一均压槽周径比下，静压干气密封开启力随狭缝周径比的变化曲线轮廓类似于 形；同一狭缝周径比下，静压干气密封开启力随均压槽周径比的变化规律仍满足递增的趋势。这表明改变狭缝、均压槽周径比中的任意一项并不影响开启力随另一周径比的变化趋势，在文中研究工况条件下，当扇形均压槽周径比为、狭缝周径比为 时最为适宜。图 扇形均压槽周径比对密封性能影响 狭缝径向排列图 所示为同一均压槽内径向均匀分布单列或多列狭缝节流器时的静压干气密封性能。图 狭缝径向排列对密封性能影响 由图 可以看出，与单列狭缝节流静压干气密封相比，多列狭缝节流静压干气密封的开启力和泄漏率都有所增大，在文中所研究范围内，相较于单列狭缝节流静压干气密封，多列狭缝节流静压干气密封的开启力 和 泄 漏 率 的 最 大 增 幅 分 别 达 到 和。这主要是由于狭缝节流器径向列数的增加使得单个均压槽内狭缝节流面积提高所致。此外，随着狭缝节流器径向列数的增大，开启力和泄漏率并不呈线性增长的趋势，两者的递增速率逐渐变缓，其中开启力的增幅降低得更为明显，表明多列狭缝后的压力区彼此间存在干涉削弱的现象；但整体仍具备加权叠加的特性，这其中蕴含的作用机制尚需进一步深入探讨。狭缝连续性在气体轴承领域，狭缝的连续性影响着轴承的承载力，气体轴承与静压干气密封的工作原理类似，因此在狭缝总节流面积 的条件下，探究了狭缝周向布列方式对密封性能的影响规律，如图 所示。需要说明的是，为了避免均压槽因素的干扰，文中是基于环带均压槽开展的。狭缝周向列数由 增至，在 静环端面区域内，可以视为由连续狭缝到非连续狭缝的过渡。可以看出，在连续狭缝向非连续狭缝转变的过程中，静压干气密封的开启力和泄漏率呈现逐渐递增的趋势，其中开启力和泄漏率在狭缝周向列数 的范围内抬升趋势明显，在狭缝周向列数 的范围内其变化甚微。与连续狭缝状态相比，非连续性狭缝会导致较高的开启力，但在狭缝非连续程度剧烈的区域内并不能对开启力起到线性加成的提升效果，同时也说明在文中研究条件下，非连续狭缝的密封性能优于连续狭缝。综合考虑开启力和泄漏率的增幅，同时兼顾狭缝的加工成本，在文中研究条件下狭缝的周向列数取 最为适宜。图 狭缝连续性对密封性能影响 结论（）将狭缝节流器与静压干气密封相结合，与经典小孔节流静压干气密封相比，相同节流面积下狭缝节流静压干气密封具有更高的气膜开启力。（）在径向宽度一定的前提下，均压槽的平面空间越充裕，密封间隙内的气膜高压区范围越广、压润滑与密封第 卷力均布效果越好。（）狭缝周径比在偏离 的两个方向（大于 或小于）均能使气膜开启力存在高点。狭缝、均压槽周径比对静压干气密封气膜开启力的影响相互独立，在文中研究工况条件下，当扇形均压槽周径比为、狭缝周径比为 时最为适宜。（）狭缝沿径向、周向的列数增加均能使气膜开启力提升，在高列数范围内开启力的提升幅度逐渐变缓。就狭缝的周向布列方式而言，与连续狭缝状态相比，非连续性狭缝会导致更高的开启力，在文中研究工况条件下，狭缝的周向列数取 较为适宜。参考文献 刘飞静压干气密封研究成都：西华大学，：，陈秀琴，朱维兵，王和顺干气密封技术研究现状及发展趋势液压与气动，（）：，（）：余建平，宋鹏云静压气体润滑机械密封技术研究进展液压气动与密封，（）：，（）：，：，（）：王云飞气体润滑理论与气体轴承设计北京：机械工业出版社，刘暾，刘育华，陈世杰静压气体润滑哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，王玉明，刘伟，刘莹非接触式机械密封基础研究现状与展望液压气动与密封，（）：，（）：张树强气体动静压混合润滑端面密封动态特性研究北京：北京化工大学，：，：，：余建平静压气体润滑机械密封特性研究昆明：昆明理工大学，王和顺，董霖，黄泽沛，等静压干气密封端面流场数值模拟排灌机械工程学报，（）：，（）：宋鹏云，许恒杰静压气体润滑机械密封刚度特性的解析法分析排灌机械工程学报，（）：，（）：周圣人，朱维兵，王和顺节流孔特性对静压干气密封性能的影响润滑与密封，（）：，（）：丁雪兴，杨环，曹兴岩，等节流孔径对静压圆弧槽干气密封端面流场影响的数值模拟兰州理工大学学报，（）：，（）：车健，江锦波，李纪云，等节流孔截面形状对静压干气密封稳态性能和压力波动特性影响摩擦学学报，（）：，（）：车健，江锦波，李纪云，等节流孔出气模式对静压干气密封稳态性能影响化工学报，（）：，（）：，（）：，：赵艳凤，彭旭东，江锦波，等均压槽结构形状对静压干气密封性能影响分析摩擦学学报，（）：，（）：于雪梅，徐宗泽，王衍，等狭缝节流气体静压轴承静态特性研究进展江苏海洋大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：年第 期任俊杰等：狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟