拟合曲线槽干气密封流场的数值模拟及分析

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Numerical Simulation and Analysis of Flow Field for Dry GasSeal with Fitted Curve Groove Based on Tracing LineDing Xuexing Zhao Fang Huang Yifang Zheng Jing(1.College of Petrochemical Technology，Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China；2.Lanzhou Petrochemical Colege of Vocational Technology，Lanzhou Gansu 730060，China)Abstract：The fluid tracing line taken from spiral groove middle surface and middle line was fitted and used as the typeline of dry gas seal groove，and a three-dimension model of fitted curve groove Was established.Under three conditions oflow pressure and low speed，middle pressure and middle speed，and high pressure and high speed，the pressure，leakageand gas film open force of fitted curve groove dry gas seal with film thickness of 3～5 m were calculated by using Fluentsoftware，and were analyzed and compared with those of spiral groove.The results show that under low pressure and lowspeed conditions，the fited curve groove and spiral groove have weak dynamic pressure efect，and have almost the sameleakage.Under middle pressure and middle speed conditions，the dynamic pressure efects of fitted curve grooves with filmthickness of 3 and 4 Ixm are better than that of spiral grooves.but their leakages are still almost the same.Under high pres-sure and high speed conditions，the dynamic pressure effect of fitted curve groove with film thickness of 3 Ixm is beter thanthat of spiral groove，an d the leakage of fited curve groove is smaller than that of spiral groove.The gas film open force offited curve groove is larger than that of spiral groove under three conditions。

Keywords：fitted curve groove；dry gas seal；gas film pressure；leakage；gas film open force干气密封利用流体的动力学原理，通过在密封面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行，是目前旋转机械 (如：压缩机、离心泵)轴端密封中最先进的，密封效果较好的-种密封装置。

干气密封机制的研究主要集中在流体动压效应的基金项目：甘肃省高校基本科研项目 (20100401)。

收稿日期：2012-10-16作者简介：丁雪兴 (1964-)，男，教授，博士生导师，研究方向为泵阀与密封技术.E-mail：dingxxl###163.tom。

技术问题上，设计的关键是如何设计密封面开槽的几何形状及几何参数，这直接影响到密封运行的可靠性和稳定性。目前在已知的槽型曲线中动压效果和密封性能最佳的是螺旋线形。国内外学者对螺旋槽干气密封性能的研究较多。国外Faria 采用有限元法、Ga-briel 用实验测量法获得了密封槽内气体动压分布及几何参数的优化范围；ZirkelbackH 对螺旋槽干气密封的端面几何参数进行了优化；Miller等 对螺旋槽端面密封环在轴向和2个角向自由度上的运动加以分析，用直接数值频率响应法计算了气膜的刚度。国内润滑与密封 第 38卷李双喜等 采用有限元法、杜兆年等 用近似解析法对轴向微扰下-些气膜动态特性参数进行了计算；冯向忠等 对螺旋槽干气密封进行了理论计算，研究了端面几何参数对密封性能的影响规律。

然而，在工程实践中，螺旋槽干气密封使用效果并不理想，因此需要寻求-种动压效果更好的多项式拟合曲线槽型来取代螺旋线槽型。本文作者采用数值模拟的方法对拟合曲线槽和螺旋槽干气密封的动压效果、泄漏量和气膜推力进行比较，从而优化得到动压效果更好的拟合曲线槽来取代螺旋线槽型。

1 拟合曲线的确定取螺旋槽中间面上的迹线，如图1所示，运用Maple程序进行拟合，由泰勒级数可知，级数越高，精度越高，选用 5次多项式 ，Y似 /，在中间迹线上均匀地取6个点，求出o，b，c，d，e，厂c通 过 Maple程 序 求 解 得：o：- 0.009 546 061 007， 6 3.581 864 646， c ：- 534.748 942 0， d 39 734.215 77， e - 0.147 028 956 9×10 ，厂0.216 849 985 3×10 。

图 1 迹线Fig 1 Tracing line得到拟合后的拟合曲线方程为：Y -0.009 546 061 007x 3.581 864 646x -534.748 942 0 39 374.215 77 -1.470 289 569×10 2.168 499 853×10以此方程为绘制槽型线的基本方程，绘制拟合曲线 (见图2)。图3示出了拟合曲线槽干气密封动环端面二维模型。

图2 螺旋线和拟合曲线的局部放大图Fig 2 Partial enlargement figure of spiral line and fited curve line旋转方向图3 拟合曲线槽干气密封动环端面二维模型Fig 3 Two-dimension model of rotation·-ring face of fited curve groove2 槽内气体流场的边值问题2.1 基本假设基于流体力学基本理论，同时考虑密封环和密封系统本身的结构，对密封端面间的气膜稳态流场分析时，进行如下假设：(1)端面内流体视为连续的理想气体；(2)润滑层的热状态等温；(3)气体分子与密封表面牢固吸附，无相对滑移 ；(4)忽略气体的惯性力和体积力；(5)端面内流体以层流流动 。

2.2 计算模型为层流模型控制方程用可压缩完全气体雷诺方程。它是Reynolds于 1886年建立的，其在极坐标下的表达式 为：÷品( )杀( ) r2.3 边界条件槽的入口端为高压侧，密封坝为低压侧，流体因为压力差从外径向内径流动。给定槽的入 口和坝区出-3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 0 O O O 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 e e e e e e e e e e e e e e8 7 6 4 3 l 0 9 7 7 3 8 4 0 7 S 3 1 9 7 S 2 O 5 4 2 l 0 2 2 2 2 l 1 l l l 8 6 4 2 0 2013年第2期 丁雪兴等：拟合曲线槽干气密封流场的数值模拟及分析 37口分别为压力入口和压力出口边界条件，槽区和坝区边界为周期性边界条件，满足 ：r (r，01， )币(r，0， ) i： 。2叮T/n湍流的固体壁面采用无滑移条件，在近壁面处的流动采用标准壁面函数法。采用参考坐标系法模拟动静环之间的相互运动。

3 边值问题的数值求解取密封端面间的气膜为研究对象，由于密封端面上拟合曲线槽呈对称性和周期性均匀分布，对于稳态流动尝气膜压力场，边界条件沿圆周方向以2，r/n为周期分布，因此取端面的1/12为模拟对象，如图3中ABCDEFGH区域，槽宽与坝宽比为0.5。本文 网格划分采用Tri(三角形)单元方案，网格类型采用Pave(非结构网格)对模型垂直厚度方向的各个面分区域划分，然后采用 Cooper方法将面网格拉成六面体网格，采用厚度方向控制网格层数来控制总网格数。

求解器选择分离的隐式求解器，压力差值格式为标准差值，黏性流动采用层流流动形式，压力速度耦合采用SIMPLE算法，扩散项的离散格式采用中心差分格式，对流项的离散格式采用二阶迎风格式。

4 计算结果与分析4.1 2种槽型干气密封端面流场数值模拟以空气为介质，运用 Fluent软件对气膜厚度为3，4，5 m的螺旋槽和拟合曲线槽干气密封进行数值模拟。运行参数为：内半径R；58.42 mm，外半径 R。77.78 mm，根半径 R 69 mm，槽模数 n12，介质黏度 1.8×10～Pa·S，环境压力P 0.101 325 MPa，槽深2E7 Ixm，螺旋角ot15。。对以下3种工况分别研究螺旋槽、拟合曲线槽的动压效果和泄漏量。(1)低压低速：介质压力 P 0.3MPa，转速/， 500 r/rain；(2)中压中速：介质压力P00.5 MPa，转速 rt 1 500 r/min；(3)高压高速：介质压力P03 MPa，转速 n 10 100 r/min。

4.1.1 低压低速时螺旋槽、拟合 曲线槽的动压效果年口泄漏量当气膜厚度为3，4，5 m时，2种槽动压效果都不明显。表 1给出了此工况下2种槽的泄漏量和气膜推力∩以看出，相同工况下螺旋槽、拟合曲线槽的泄漏量相差不大，但拟合曲线槽的气膜推力比螺旋槽大。

表 1 低压低速时2种槽的泄漏量和气膜推力Table 1 The leakage and gas film open force of two groovesunder and low pressure low speed conditions气膜厚度6/lm螺旋槽泄漏量 Q/ 气膜推力拟合曲线槽泄漏量 Q/ 气膜推力(m ·h ) F/N (m ·h ) F/N4.1.2 中压中速时螺旋槽、拟合曲线槽的动压效果和泄漏量图4为 63 m时 2种槽 中压中速时的压力云图，图5为 64 m时 2种槽中压中速时的压力云图。表 2给出了此工况下 2种槽的泄漏量和气膜推力。

(8)拟舍曲线槽 (b)螺旋槽图4 中压中速时气膜厚度为3 m时2种槽的压力云图 (Pa)Fig 4 The pressure nephogram of fited curve groove(a)andspiral groove(b)with gas film thickness of 3 m undermiddle pressure and middle speed conditions(Pa)表2 中压中速时2种槽的泄漏量和气膜推力Table 2 The leakage and gas film open force of two groovesunder middle pressure and middle speed conditions厚度 (m ·h ) N (m ·h ) F/N5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 S 5 5 5 5 5 5 5 5 4 5 0 0 0 0 0 O O O 0 0 0 0 0 O O 0 0 0 0 O O e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e4 2 l O 9 8 7 6 5 4 2 1 O 9 8 7 6 5 4 2 1 2 O 8 6 3 l 9 7 5 3 1 9 7 4 2 0 8 6 4 2 0 5 5 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 l l 1 l 1 S S S S 5 S S S S S S 5 5 5 5 5 S S 5 S 5 0 O 0 0 O 0 0 0 0 O O O 0 0 0 O 0 O O 0 0 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e eO 8 5 2 9 6 3 0 7 4 l 8 5 2 9 6 3 O 7 4 1 6 3 l 9 6 4 2 0 7 5 3 O 8 6 3 l 9 7 4 2 0 S 5 5 4 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 2 2 l l l l l 2013年第2期 李平亮等：半合成切削液的消泡稳定性研究 105浮于溶液表面，并且易吸附于固体物的表面，因此加工过程中易被工件表面带走，使消泡剂的量减少，消泡效果降低。另外，为提高切削液在使用过程中的清洁度，现在的加工中心过滤系统的滤网更加细密，在过滤冷却时也会损失-部分消泡剂，使消泡效果降低。针对使用过程中消泡剂的失效现象，根据实际工况，确定消泡剂失效的周期，定期添加-定量的消泡剂，以满足实际生产的需要。

2.3 消泡荆对抗硬水稳定性的影响在表 1配方的基础上，分别用消泡剂 1266、DK-1247、DK-FS80、MS-575配制浓缩液，分别用 1×10～、3×10-、5×10 (质量分数，下同)的硬水配制5%的稀释液，观察其抗硬水稳定性♂果表明，稀释液放置-定时间后，均出现了不同程度的析油现象。

乳液是热力学不稳定体系，为了减少这种不稳定程度，要在乳液中加入表面活性剂，来降低油/水界面的界面张力。在油/水界面加人表面活性剂后，在降低表面活性张力的同时，根据 Gibbs吸附定理，表面活性剂必然在界面发生吸附、形成界面膜。形成的界面膜具有-定的强度，对分散相有保护作用，使其在相互碰撞时不易凝结。

消泡剂加入体系后，经过长时间放置，会发生消泡剂失效即消泡剂的加溶现象，消泡剂加溶过程会消耗-定量的表面活性剂，当表面活性剂浓度降低时，界面上吸附分子较少，界面的强度较差，所形成的乳液稳定性降低。

由于在硬水中钙、镁离子的浓度较高，稀释液会形成大量的钙皂、镁皂，形成的钙皂、镁皂要乳化到体系中亦要消耗-定量的表面活性剂，同样降低了乳液的稳定性，出现硬水稀释液的析油现 。

针对上述实验现象，在表 1配方的基础上，筛选了-种醚羧酸表面活性剂，用其配制含不同牌号消泡剂的浓缩液，然后再分别用 1×10～、3×10～、5×10。的硬水配制 5% 的稀释液，观察其抗硬水稳定性♂果表明，加入醚羧酸表面活性剂后，硬水稀释液抗硬水稳定性提高，放置较长时间没有出现析油现象。

3 结论合成了-种新型微乳化绿色切削液，通过筛严适的表面活性剂改善了稀释液的抗硬水稳定性。评价结果表明，该切削液具有很强的抗硬水能力，能够在5×10 的硬水环境下使用，不会发生析油、析皂现象；具有较强的抗泡沫能力，能够满足实际工况条件使用。