【摘要】：干氣密封在高溫、高壓以及各種腐蝕性介質(zhì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,對(duì)高壓高溫給干氣密封帶來(lái)的影響,研究者們的認(rèn)識(shí)還不足,特別是理論計(jì)算中存在許多問(wèn)題。在高壓工況下,干氣密封端面氣膜流場(chǎng)的壓力和溫度變化較大,而介質(zhì)密度、黏度應(yīng)是隨壓力和溫度的變化而變化的,特別是氣體的密度受壓力的影響較大。以往的傳統(tǒng)干氣密封數(shù)值模擬中,密封介質(zhì)的密度大多按照假設(shè)溫度和壓力值選定,并未曾考慮到密封介質(zhì)物性參數(shù)變化對(duì)密封性能的影響,因此研究結(jié)果難免有些誤差。作者提出了高壓干氣密封流場(chǎng)計(jì)算的變密度方法,考慮了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化對(duì)密度的影響。首先使用ANSYS Workbench軟件對(duì)密封環(huán)進(jìn)行熱分析,得到了密封環(huán)的溫度場(chǎng)分布,并推導(dǎo)出端面氣膜的溫度分布;采用用戶自定義函數(shù)(UDF)將密封介質(zhì)N2的密度定義為壓力和溫度的區(qū)間函數(shù),用加載了UDF的Fluent軟件對(duì)端面氣膜流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,通過(guò)不斷地迭代計(jì)算得到端面流場(chǎng)的壓力分布和開(kāi)啟力。分別采用變密度(自定義密度為壓力和溫度的函數(shù))和定密度(直接將密度設(shè)定為定值)兩種方法,通過(guò)Fluent軟件對(duì)干氣密封流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真,并進(jìn)行了網(wǎng)格尺寸在模擬仿真時(shí)的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。對(duì)比模擬結(jié)果可以看出變密度方法所得到的計(jì)算結(jié)果更接近工況實(shí)際情況,該算法解決了模擬計(jì)算中介質(zhì)物性參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題,值得借鑒。研究發(fā)現(xiàn):使用Fluent的UDF功能來(lái)描述干氣密封端面間隙氣體密度的變化是可行的,為更精確地模擬端面間隙流場(chǎng)提供了一種新方法。在高壓工況下,壓力變化對(duì)氣體密度影響較大,變密度方法能夠更加真實(shí)地反映其流場(chǎng)。此外還應(yīng)考慮溫度變化對(duì)氣體密度的影響。
【圖文】：

槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比為λ=0．65。工況條件為:密封介質(zhì)為N2，密封腔壓力p=9MPa，，轉(zhuǎn)速n=12224r/min，取密封工作間隙為h=2．8μm。該密封在中石化四川某廠投入使用，實(shí)際測(cè)量到正常工況下單套密封的泄漏量為9．6N·m3/h。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)使用的材料分別為鈷基碳化鎢和碳石墨，在傳統(tǒng)算法(即定密度方法)中，取溫度和壓力的進(jìn)出口平均值作為定性參數(shù)，在本例中密封腔介質(zhì)壓力為9MPa，溫度55℃，氣膜出口壓力為0MPa(表壓)，溫度89℃，故定性壓力為4．5MPa，定性溫度為72℃。密封環(huán)的物性參數(shù)如表1所示，N2物性參數(shù)見(jiàn)表2。圖1螺旋槽干氣密封的結(jié)構(gòu)Fig．1Structureofspiralgroovedrygasseals表1密封環(huán)物性參數(shù)表［13］Tab．1Parametersofsealingrings［13］材料密度ρ/(kg·m－3)導(dǎo)熱系數(shù)k/(W·m－1·K－1)熱膨脹系數(shù)τ/(10－6K)彈性模量E/GPa泊松比ε動(dòng)環(huán)鈷基碳化鎢1500010046000．26靜環(huán)碳石墨1800105250．15表2密封介質(zhì)參數(shù)表Tab．2Parametersofsealingmedium密封介質(zhì)密度ρ/(kg·m－3)黏度μ/(Pa·s)氣膜工作厚度h/μm比熱cp/(kJ·kg－1·K－1)導(dǎo)熱系數(shù)k/(W·m－1·K－1)N251．52．11×10－52．81．0410．02971．2密封環(huán)熱分析及氣膜溫度分布密封系統(tǒng)內(nèi)的傳熱模型如圖2所示。其中，Qv為端面氣膜的黏性剪切熱，為旋轉(zhuǎn)件在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量。圖2干氣密封傳熱模型及邊界條件Fig．2Heatmodelandboundaryconditionofdrygasseals由熱量守恒原理可知:Qv+QB+Qc=Q1+Q2+Q3。式中，QB為補(bǔ)償環(huán)(靜環(huán))傳動(dòng)螺釘和O型圈等產(chǎn)生的摩擦熱，Qc為旋轉(zhuǎn)元件產(chǎn)生的攪拌熱，Q1為泄漏介質(zhì)帶走的熱量，Q2為氣膜先傳遞到動(dòng)環(huán)然后通

rametersofsealingrings［13］材料密度ρ/(kg·m－3)導(dǎo)熱系數(shù)k/(W·m－1·K－1)熱膨脹系數(shù)τ/(10－6K)彈性模量E/GPa泊松比ε動(dòng)環(huán)鈷基碳化鎢1500010046000．26靜環(huán)碳石墨1800105250．15表2密封介質(zhì)參數(shù)表Tab．2Parametersofsealingmedium密封介質(zhì)密度ρ/(kg·m－3)黏度μ/(Pa·s)氣膜工作厚度h/μm比熱cp/(kJ·kg－1·K－1)導(dǎo)熱系數(shù)k/(W·m－1·K－1)N251．52．11×10－52．81．0410．02971．2密封環(huán)熱分析及氣膜溫度分布密封系統(tǒng)內(nèi)的傳熱模型如圖2所示。其中，Qv為端面氣膜的黏性剪切熱，為旋轉(zhuǎn)件在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量。圖2干氣密封傳熱模型及邊界條件Fig．2Heatmodelandboundaryconditionofdrygasseals由熱量守恒原理可知:Qv+QB+Qc=Q1+Q2+Q3。式中，QB為補(bǔ)償環(huán)(靜環(huán))傳動(dòng)螺釘和O型圈等產(chǎn)生的摩擦熱，Qc為旋轉(zhuǎn)元件產(chǎn)生的攪拌熱，Q1為泄漏介質(zhì)帶走的熱量，Q2為氣膜先傳遞到動(dòng)環(huán)然后通過(guò)動(dòng)環(huán)對(duì)流傳遞到周圍密封介質(zhì)的熱量，Q3為氣膜先傳遞到靜環(huán)然后通過(guò)靜環(huán)對(duì)流傳遞到周圍介質(zhì)的熱量。由于補(bǔ)償環(huán)微動(dòng)，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)部分光潔度高，QB可認(rèn)為是0［14］;由于密封環(huán)的溫度高于密封介質(zhì)的溫度，攪拌熱Qc傳遞方向是由動(dòng)環(huán)到密封介質(zhì)，另外密封腔介質(zhì)溫度55℃已經(jīng)考慮了攪拌熱的影響，故在圖2所示的模型中不考慮Qc［15］。由牛頓剪切定律得到半徑r處氣膜剪切熱流密度為:q=τ·ν=μdνdr·ν=μ·rωhν=μ·r2ω2h(1)式中:q為熱流密度，W/m2;μ為密封介質(zhì)的動(dòng)力黏度，Pa·s;ω為動(dòng)環(huán)角速度，rad/s;r為氣膜半徑，m;h為氣膜厚度，m。假定端面氣膜流場(chǎng)處于平行間?

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