端柱面组合式气膜密封参数化建模仿真分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Simulation Analysis of Gas Face and CylinderFilm Seal by Parametric M odelingMa Gang Sun Xiaojun He Jun Shen Xjnmin(School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China；)Abstract：In order to improve the eficiency of the design and analysis of the gas film seal，a implementation method ofparametric modeling，meshing and characteristic analysis about the gas face and cylinder film seal was presented.WithCatia as a platform，setting the size of the model parameters in view of the structure of the gas film seal，the parametricdesign of the structure of the gas film seal model was realized by the use of dimension drive technology；theparameterization of the numerical analysis model was realized through the parametric mesh dividing of the three-dimensional model of gas film by Gridgen；the numerical simulation calculation and analysis of the flow field of gas filmwas carded out by Fluent，and the rapid prediction of sealing perform ance was got under diferent design parameters。

Taking the change of cylindrical groove length ratio of the gas face and cylinder film seal as a case，the analysis resultsabout the seal characteristics were got。

Keywords：gas film seal；parametric modeling；perform ance prediction随着现代工业技术的发展，高速流体机械 (如各种燃气轮机、鼓风机、离心泵等)中多处流体动密封部位的工况向高界面滑速、高边界压差、高温等条件变化，传统密封方式难于满足要求 。气膜密封因其非接触、低泄漏、低磨损的特点，目前已成为高速流体机械关键部位密封的重要研究应用方向 。

根据密封结构形式的不同，目前气膜密封的主要结构包括端面气膜密封 (Gas face film sea1)与柱面气膜密封 (Gas cylinder film sea1)。气膜密封特性研究是密封研究中的-个重要内容，目前主要的研究方法有基金项目：国家自然科学基金项目 (51075018)。

收稿 日期 ：2013-01-05作者简介：马纲 (1967-)，女，博士，副教授，主要从事机械设计、流体密封技术的研究 .E-mail：mgbuaa###163.com。

试验研究、理论分析和数值模拟等。采用 CFD数值模拟密封的内部流场状况具有直观、高效的特点，是目前密封特性分析中-种重要的分析手段。

根据数值分析模型的简化方式不同，数值分析方法包括二维数值模拟和三维数值模拟。二维数值模拟假设气膜压力在膜厚方向保持不变，利用数值计算求解二维气膜控制方程，常用求解方法包括有限元法、有限差分法等 。三维数值模拟对三维流场整体建镍行分析，目前三维数值模拟的分析模型多为利用CFD前处理软件 Gambit建模并进行网格划分 引。由于 Gambit对导入模型识别质量低，且对于复杂不规则模型的网格划分存在分块麻烦的问题，这种分析主要适用于气膜模型几何尺寸固定或小变化时的流场分析，分析效率较低。

2013年第7期 马 纲等：端柱面组合式气膜密封参数化建模仿真分析 9本文作者针对端柱面组合式密封气膜结构，利用Catia对气膜进行三维参数化建模，通过设置密封模型的尺寸参数，利用尺寸驱动技术，实现了气膜密封模型的参数化设计；结合流体网格软件 Gridgen对参数化模型进行网格划分，实现了流场特性的参数化分析。

1 结构参数化模型气膜密封系统优良密封特性的实现，首先撒于密封界面的结构。本文作者针对端柱面组合式气膜密封结构进行研究，其基本组成如图1所示。

1.固定螺栓2.轴套 13.轴套 24.面弹性支承5.外部支架6.推力环7.弹簧8.端柱面密封环图1 端柱面气膜密封系统Fig 1 The sealing system of gas face and cylinder seal图2为密封环端面、柱面槽型的基本结构简图，密封界面为顺流螺旋槽。为了发挥螺旋槽界面结构型式优势，选择合理的槽型参数是气膜密封系统设计的关键。研究建立参数化的性能分析方法，可以高效实现密封界面结构设计和性能预测，密封结构的参数化三维建模是实现这-目标的基矗参数化建模的关键在于用关键参数、槽形曲线、表格特征等驱动图形以达到改变结构状况的目的 。

争r， -(a) (b)图2 端面及柱面的螺旋槽几何模型Fig 2 Geometric model of the spiral groove face and cylinder seal1.1 定义驱动参数针对密封气膜的槽型结构特点，在建模软件Catia V5中定义驱动参数，如表1所示。

表 1 参数的定义Table 1 Th e definition of parameters驱动参数 符号 驱动参数 符号端面平均膜厚 h 柱面平均膜厚 h柱面偏心率 e 柱面密封长度转子半径 端面半径 rd端面螺旋角 a 柱面螺旋角 b端面槽长比 D。 柱面槽长比 P，端面槽宽比 D 柱面槽宽比 P端面槽深比 柱面槽深比 P1.2 定义端面螺旋线的变量规则气膜密封的槽型结构有螺旋槽、T型槽、人字槽等，槽型结构对气膜密封性能起决定性的作用。如图2所示，密封气膜的基本模型中柱面与端面均采用顺流螺旋槽，其中柱面槽型选用普通螺旋线，端面槽型选用对数螺旋线。

端面对数螺旋线方程 (极坐标下)：rRse (1)式中：R 为槽根半径；0为转角；d为螺旋角 。

利用 Catia中变量规则获得端面螺旋线，其中以图2所示坐标系为基准，螺旋线上点 ，Y的坐标为 ：RseO tancos(2) lYRse岫 sin0 - 通过样条曲线连接变量规则定义的点来定义端面螺旋线。

1.3 整体密封结构的创建利用表 1中的参数及螺旋线定义，设置端柱面组合气膜密封模型的参数化拈。

模型参数化拈实现了由气膜尺寸驱动参数控制密封气膜几何模型的建立，提高了气膜三维建模的效率。图3所示为通过参数化拈建立的模型，其中图(a)为所建立的气膜初始模型，图 (b)为修改柱面槽长比后的气膜模型。

o e (a)初始模型 (b)修改后模型图3 参数化模型Fig 3 The parameterized model10 润滑与密封 第38卷2 数值分析参数化模型气膜的三维流场分析是建立在气膜网格划分的基础上。通过气膜模型参数化拈生成气膜模型，并对其进行网格划分。端柱面螺旋槽组合式密封可分为端面螺旋槽和柱面螺旋槽两区域。因柱面部分存在偏心，密封气膜沿圆周方向气膜厚度发生变化，需要对端柱面组合式密封整个气膜密封区域进行分析求解。

0图4 端柱面螺旋槽气膜的网格划分Fig 4 The meshing of the spiral groove face and cylinder seal model对于端柱面组合密封，由于气膜在整体尺寸和平均膜厚上差距极大，且其存在偏心及含有槽、台、坝不同区域，采用简单生成网格的方法会造成网格质量很低不满足Fluent计算要求，得不到准确的仿真模拟结果。分析中采用分区域划分的方法，分别划分槽、台、坝三区，并采用从线到面再到体逐级划分的方法，划分网格时采用正交性好的六面体网格。

利用 Gridgen对气膜模型进行网格划分、边界条件的设置及 Fluent分析文件 .cas的生成。保存操作过程的脚本文件Journal，并设置网格参数化拈。

气膜参数化分析流程如图5所示。气膜分析文件在 Fluent中的基本假设与求解器设置参照文献[10]。

输入气膜尺寸参数气膜模型参数化拈NIY 到准确模型 I网格参数化拈 I I目标气膜tJigs文件Fluent专业流体 ll 目标气膜分析 分析软件 I I文件.dat目标气膜的流场分析图5 气膜参数化分析流程图Fig 5 The flow chart of the parameterized analysis of the gas seal3 计算分析对-定的几何结构参数及工况条件下的端柱面气膜，以柱面槽长比变化为例，进行气膜参数化流场分析。柱面槽长比变化范围为 P.0.25、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8。

图6示出了P.0.5时端柱面顺流螺旋槽密封气膜三维压场分布∩以看出端柱面密封气膜的压力流场分布均在槽台交界处最大，且柱面部分在膜厚较小处压力较大。这说明端柱面气膜密封的动压特性主要撒于槽台之间的高度变化和柱面偏心率，符合工程实践中螺旋槽及柱面偏心结构能够增加动压效果的结论。

图6 p。O.5时端柱面顺流螺旋槽气膜压力场分布Fig 6 The pressure field distribution of gasface and cylinder seal ofpl0.5图7示出了柱面槽长比变化对气膜泄漏量及摩擦转矩的影响曲线。随着柱面槽长比的增大，泄漏量有增大的趋势，摩擦转矩略有减小，但变化不大。泄漏增大的原因可以认为是槽长比增大时，密封坝阻流区域减小的结果。

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9槽长比p图7 柱面槽长比对泄漏量及摩擦转矩的影响Fig 7 Th e impact of groove length ratio to leakage and friction torque图8示出了柱面槽长比变化对开启力的影响曲线，柱面槽长比对柱面、端面开启力均有-定的影响。端面开启力随槽长比的增大略有减小；柱面开启力随槽长比变化出现极值，临界点在槽长比为 0.5罐 盘搿德攘搿檬器麓 豢m密瀣l鬈鬻鬈m粼 ii O9 8 7 6 5 4 3 2 l O 1OOO0O0O0O2013年第7期 马 纲等：端柱面组合式气膜密封参数化建模仿真分析 11附近。

50004000专300020001 OOO054鼍3210.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9槽长比P。

图8 柱面槽长比对开启力的影响Fig 8 The impact of groove length ratio tO the openingforce of the face and the cylinder4 结论(1)针对端柱面气膜密封结构形式，利用三维建模软件Catia对密封气膜进行参数化建模，设置气膜模型参数化拈，实现了由气膜尺寸驱动参数控制气膜模型的建立。

(2)利用网格划分软件 Gridgen设置网格拈，结合气膜模型参数化拈实现了气膜参数化分析文件的自动生成，提高了分析文件的生成效率。

(3)利用 Fluent软件对气膜密封的三维流厨行了数值模拟分析，为进-步进行端柱面密封气膜的密封参数模拟分析等后续气膜密封研究提供了基矗