胡楓楠（nán）
（鄭州大（dà）學化工與能源學院）

　　【摘　要】采用Fluent軟件對不同槽形幹氣密封密封端麵間的流場進行數值模擬，得到了流場的壓力分布以及不（bú）同轉速下幹氣密（mì）封的開（kāi）啟力、泄漏量、剛度和剛漏比。通過對比發現螺旋槽動壓效應Z好，其氣膜開啟力Z大；雙螺旋槽密封效果Z好，泄（xiè）漏（lòu）量遠小於其他槽形；聯通螺旋槽（cáo）剛度和剛漏比Z大，抗幹（gàn）擾能裏Z好。

　　【關鍵詞】幹氣（qì）密封；數值模擬；Fluent
　　0　引言
　　隨著工業生（shēng）產（chǎn）要求的提（tí）高和人（rén）們環保意識的增強，人們對密封的泄漏要求也越來越嚴格，因此，幹氣（qì）密封（drygas seal）^[1]技（jì）術應（yīng）運而生。幹氣（qì）密封是一種流體動壓型非接觸式機械密（mì）封，具有無磨損、功耗小（xiǎo）、結構簡單（dān）、泄漏小等特點。目前，國外（wài）對幹氣密封的基礎研究已經比（bǐ）較成熟，並在工業實（shí）際（jì）應用中取得了比較大的進（jìn）展。

　　幹氣密封屬於機械密封表麵開淺槽（cáo）技術，因此密封端麵開槽的槽形一直是幹氣密封研究的重要方向之一，人們對很多槽形進行了研究，如直線槽^[2]、人字形螺旋槽^[3]等。螺旋槽是目前幹氣密（mì）封密封端（duān）麵（miàn）開槽Z常用的槽形，也是目前研究Z多的（de）槽形^[4-6]，因此本文在螺旋（xuán）槽的基礎上對槽形進行了改進並對其進行模擬和對比分析。

　　1　模型建立
　　1.1幾種槽形的結構（gòu）

a）尾翼螺旋槽；b）聯通螺旋槽；c）雙螺旋槽；d）環形螺旋槽
圖1 不同槽形結構示意（yì）圖

　　幾種槽（cáo）形結構示意圖如圖1所示。尾翼螺旋槽是順著螺旋槽旋轉方向在螺旋槽根部（bù）沿圓（yuán）弧（hú）增加開槽；聯（lián）通螺旋槽是將兩個相（xiàng）鄰（lín）的螺旋槽在槽根（gēn）部分連接起來（lái）；雙（shuāng）螺旋槽是將螺旋槽分為螺旋方向相反的（de）兩部分；環形螺旋槽是將所有的（de）螺旋槽在槽根部位連接起來（lái）。

　　1.2幾何模型

圖2 不同槽形單流道示意圖

　　分別對（duì）四種槽形幹（gàn）氣（qì）密封密封端麵間流體流道采用solidworks建立模型，沿圓（yuán）周方向取尾翼槽、雙螺旋槽、環形螺旋槽的1/12，取聯（lián）通螺旋槽（cáo）的1/6作為周期性模型進行模擬，各種（zhǒng）槽（cáo）形流體單流道模型如圖2所示。

　　1.3網（wǎng）格劃分（fèn）及邊界條件
　　本章仍然運用Gambit軟件對模型進行網格劃分，采取（qǔ）線―麵（miàn）―體的網格劃分方案：首先對膜厚方向的線進行點劃分，控製膜厚方向網格數量，然（rán）後對垂直於膜厚方向的麵采（cǎi）用Pave方法進行網格劃分，Z後采用Cooper方式劃分整體模型網格。

　　將模型進口和出口設置成壓力進口和壓（yā）力出口，兩側單流道模型截取時所產生的麵（miàn）設置為周期邊（biān）界，流道（dào）與動環和靜環接觸的麵設置為壁麵。
　　1.4計算（suàn）模型
　　從雷諾數上看，其流（liú）動狀態應（yīng）該屬於層流，但（dàn）是由於動環表麵開有螺旋槽使得流道中存在著台階，台階的存在使得其流動情況（kuàng）又不嚴格屬於層流狀態（tài）。綜（zōng）合考慮本文決（jué）定（dìng）采用RNG k-ε模型（xíng）。RNG k-ε模型是由（yóu）Yakhot和Orzag提出（chū）的，該模（mó）型可以用於計算（suàn）低雷諾數下的湍流模型，它考慮到了旋轉效應，對強旋流動的計算精度有所提高。
　　2　實例（lì）計算驗證
　　本文選用文獻[7]中給出的螺旋槽幹氣密封結構和工作條件進行模擬（nǐ），並（bìng）與其實驗數據進行對比。文獻（xiàn）中所（suǒ）給出的螺旋槽（cáo）幹氣密封的幾何參（cān）數和操作條件如下：內徑Ri=58.42mm、槽根半（bàn）徑Rg=69mm、外徑R0=77.78mm、螺旋角α=15°、槽堰寬比λ=0.5、槽數N=12、槽深hg=5μm、進出口壓力分別為4.5852MPa和0.1013MPa、轉速n=28600rmp，膜厚h0分別取2.03、3.05、5.08μm。

　　模擬結果與文獻值對比如（rú）下所（suǒ）示：

圖3 模擬結果與文獻數據對比

　　模擬（nǐ）結果與文獻（xiàn）值對比如圖3所示，可以看出無論是開啟力和氣膜剛度大小還（hái）是趨勢，Fluent得出的模擬（nǐ）值與文獻所（suǒ）給的實驗值都比較吻合。開（kāi）啟力的Z大誤差在膜厚3.05μm處，大約在11.5%左右。而剛度（dù）的Z大誤差在膜厚2.03μm處，大約為16.2%。產生誤（wù）差的原因主要是因為模擬是在理想狀態下計算出的結果，忽略了很多在實際情（qíng）況中對結果產生影響的因素，同時實驗值在測量和讀取（qǔ）時也都存在著（zhe）一定的（de）誤（wù）差（chà）。

　　3　模（mó）擬結果的分析
　　3.1開啟力和泄漏量的對比
　　如圖4所示，幾種（zhǒng）槽形的幹氣密封密封端麵間的開啟力隨轉速增加而增加（jiā），呈線性變化（huà）趨勢。其中螺旋槽幹氣密封（fēng）的開啟力在不同轉速下都（dōu）比其他槽形要大，且增（zēng）長趨勢較強，表明轉速對螺旋槽（cáo）幹氣密封開啟力的影響比較大。而雙螺旋槽幹氣密封開啟力相比（bǐ）遠小於其他槽形，相比螺旋槽幹氣密封減小了3.5%～10.0%。

圖4 不同槽形開（kāi）啟力的對比

圖5 不同槽形泄漏量（liàng）的對（duì）比

　　圖5為不同槽形幹氣密封的泄漏量隨轉速變化的趨勢圖（tú），從（cóng）圖（tú）中可以看（kàn）出泄漏量隨轉（zhuǎn）速變化呈現線性變化趨勢。其中（zhōng）環形螺旋槽幹（gàn）氣密封泄漏量Z大，螺旋槽幹氣密封泄漏量處於中間水平。而雙螺旋（xuán）槽幹氣密封泄（xiè）漏Z小，比（bǐ）螺旋槽幹氣密封減少了7.6%～19.4%，且隨轉速變化的增長趨勢不明顯。這是因為雙螺旋（xuán）槽內側螺旋槽起反向增（zēng）壓作用，平衡了一部（bù）分壓（yā）力（lì）降，使得泄漏量明顯小於其他槽形幹（gàn）氣密封。

　　3.2剛度（dù）和剛漏比的對比

圖6 不同（tóng）槽形氣膜剛度的對比

圖7 不同槽形剛（gāng）漏比的對比

　　圖6是不同槽（cáo）形幹氣密（mì）封的氣膜剛（gāng）度隨轉速增加的（de）變化趨勢，從圖中可以看出，不（bú）同槽形的氣膜剛度隨轉速的增加近似（sì）呈線性分布，隨轉速增（zēng）加而增（zēng）大。其中聯（lián）通螺旋槽氣膜剛度Z大，比螺旋槽幹氣密封高6.7%～13.6%，而雙螺旋槽幹氣密封的氣膜剛度（dù）Z小。

　　圖（tú）7是不同槽形幹氣密封的剛漏比隨轉速（sù）增加的變化趨勢，從圖中可以看出不同槽形的剛漏比隨轉速的變化趨勢基（jī）本與剛度的變化趨勢相同，都是隨著轉速的增加而增大，近似（sì）呈線性分布。其中聯（lián）通螺旋槽幹氣密封的剛漏（lòu）比（bǐ）相比Z大，比螺旋槽幹氣密封高4.6%～10.0%，雙螺旋槽幹氣密封的剛漏比Z小。
　　4　結（jié）論
　　本文建立（lì）了（le）幾種不同的槽（cáo）形結構，利用Fluent軟件對其進行了模擬分析，並對其開啟力、泄漏量、剛度、剛漏比等進行了對比（bǐ），主要得出以下結論：
　　（1）幾種槽形的開啟力、泄漏量、剛度和剛漏比均隨轉速增加而增加，呈線性變化。
　　（2）螺旋槽（cáo）幹氣密封流體動壓效（xiào）應Z好，開啟力大於其他幾種槽形，氣膜承（chéng）載力較強。
　　（3）雙螺旋槽幹（gàn）氣密封泄漏量Z小，比螺旋槽幹氣密封（fēng）減少了7.6%～19.4%，適用於對泄漏量要求比較嚴格（gé）的場合；但其開啟力、剛度、剛漏比均遠小於其他幾種槽形，氣膜承載力（lì）及抗外界幹擾能（néng）力較弱。

　　（4）聯通螺旋槽（cáo）剛度和剛漏比Z大，開啟力和（hé）泄漏量也相對較大，比較（jiào）適用於對泄漏量要求不高、易受外界幹擾的場合（hé）。
　　 參考文獻：
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來源：《科學時代》2015年10期