（化工过程机械专业论文）螺旋槽干气密封数值模拟及其槽形参数优化.pdf

硕士学位论文 摘要 压缩机轴端密封的可靠性对于实现生产装嚣的安全、稳定、长周期运行以及 经济效益最大化至关重要。传统的轴端密封有迷宫密封、浮环密封和接触式机械 密封等。近年来，随着密封技术的不断发展和完善，出现了一种新的密封型式一 螺旋槽干气密封。其密封机理是：当密封副间有相对运动时，槽的泵送效应和台 阶效应使气体产生流体动压力，在两密封端面间建立起一刚性气膜，从而保证密 封端面非接触，同时被密封介质的泄漏量控制在个可以接受的水平。 与传统的轴端密封相比，螺旋槽干气密封具有介质泄漏量少、端面磨损小、 能耗低、运行寿命长和可靠性高等优点。目前，该类密封已被广泛用于离心式压 缩机、离心泵、膨胀机、气体透平机以及其它高速高压机器中。 干气密封技术源于国外。中国的干气密封产品长期以来主要依赖进口，干气 密封技术的研究以及产品的开发尚处于起步阶段，还未建立起一套完整的干气密 封产品设计、开发以及制造体系。本文对螺旋槽干气密封端面间气体的流动过程 进行了数值模拟研究，探讨了端面槽形几何参数对密封性能的影响，并对槽形几 何参数进行了优化设计，旨在为压缩机组用螺旋槽干气密封的设计和安全、可靠、 稳定、长周期运行提供有益的参考。 本文主要研究内容及结论如下： ( 1 ) 在一定假设的基础上，建立了螺旋槽干气密封端面间气体流动过程的 物理模型，并推导了等温状态下可压缩流体动力润滑控制方程。 ( 2 ) 采用g a l e r k i n 法对控制方程迸行离散，编制了有限元计算程序，对控 制方程进行了数值求解，得到了端面间气膜的压力分布规律。在此基础上，对螺 旋槽干气密封的主要性能参数一开启力、端面摩擦力、摩擦功耗、轴向刚度以及 泄漏量进行了计算。 ( 3 ) 分析了操作参数和端面槽形几何参数对密封性能的影响以及槽形几何 参数对密封性能的影响度。结果表明：螺旋角所口槽长坝长比埘密封性能的影响 高度显著，槽深膜厚比垃对密封性能的影响显著，而槽台宽比跳 及槽数虬对 密封性能的影响相对不大。研究表明，端面槽形几何参数适宜的取值范围为： 6 6 0 7 7 5 。，4 7 5 h e 6 5 ，o 4 0 6 0 7 0 ，0 4 0 一0 ，5 5 ，1 0 n e 1 8 。研究结果为螺 旋槽干气密封的设计提供了有益的参考。 ( 4 ) 运用优化设计理论，以获得最大刚漏比为目标，建立了螺旋槽干气密 封端面槽形几何参数优化设计数学模型，采用复合形法对北京燕山石化炼油厂加 氢裂化装置循环氢压缩机k 5 0 2 上的2 8 a t 型干气密封的槽形几何参数进行了优 化，得到了槽形几何参数最优组台：螺旋角肋7 5 。，槽深h i 为1 78 肛m ，槽台宽 螺旋槽千气密封数值模拟及其槽形参数优化 比d 为0 6 7 4 ，槽根半径唯为8 6 8 m m ，槽数m 为1 2 。结果表明，优化后的干气 密封轴向刚度显著提高，泄漏量下降约1 4 。 ( 5 ) 在天津鼎名密封有限公司的高速试验台上对北京燕山石化炼油厂加氢 裂化装置循环氢压缩机k 5 0 2 上的2 8 a t 型螺旋槽干气密封系统进行了试验研究。 试验测出的泄漏量与数值模拟结果较为吻合，最大相对误差小于2 5 。表明本文 所建立的螺旋槽干气密封端面间气体流动过程物理模型是正确的，所编制的有限 元求解程序是可行的。 关键词螺旋槽干气密封动压润滑有限元法数值模拟优化设计 复台形法 l i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fc o m p r e s s o rs h a f te n ds e a l sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n a s s u r i n g t h es e c u r i t y , s t a b i l i t ya n d l o n gl i f eo fe q u i p m e n t ，a n da c h i e v i n g t h em a x i m u m e c o n o m i cb e n e f i to fe n t e r p r i s e s t h ec o n v e n t i o n a ls h a f te n ds e a l si n c l u d el a b y r i n t h s e a l ，f l o a t i n g r i n gs e a l ，m e c h a n i c a ls e a la n ds o o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o f s e a l i n gt e c h n o l o g y , a n e ws e a la p p a r a t u s ，n a m e ds p i r a lg r o o v ed r yg a s s e a l ，h a sb e e nd e v e l o p e d t h ep r i n c i p l eo fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a li st h a t u t i l i z i n g t h er e l a t i v em o t i o no ft h es e a lf a c e s ，t h eh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ei sg e n e r a t e dd u et o t h ep u m p i n ge f f e c ta n d r a y l e i g hs t e pe f f e c to f t h eg r o o v et h e r e f o r e ，as p r i n g l i k eg a s f i l mi ss e tu p ，w h i c hh a sas p r i n gr a t et h a ti s c a l l e d “g a ss t i f f n e s s ”t h i sf i l mm a k e s t h et w os e a lf a c e sn o n c o n t a c t m e a n w h i l e ，t h em e d i u ml e a k a g eo ft h es e a la p p a r a t u s i sc o n t r o l l e du n d e ra na c c e p t a b l el e v e l c o m p a r i n g w i t ht h ec o n v e n t i o n a ls h 矾e n ds e a l s t h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l ll e a k a g e ，l i t t l es u r f a c ea b r a s i o n ，l o wp o w e rl o s s ， l o n gs e r v i c e l i f ea n dh i 曲r e l i a b i l i t y a t p r e s e n t ，t h i s s e a li s w i d e l ya p p l i e d t o c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , c e n t r i f u g a lp u m p ，e x p a n s i o nm a c h i n e ，g a st u r b i n ea n do t h e r h i g h - p r e s s u r e o rh i g h s p e e dm a c h i n e s t h et e c h n o l o g yo f d r yg a ss e a l i sc o m ef r o mt h ed e v e l o p e di n d u s t r i a lc o u n t r i e s i nc h i n a ，r e s e a r c ho nt h ed r yg a ss e a lt e c h n o l o g ya n d d e v e l o p m e m o ft h ed r yg a ss e a l p r o d u c ta r ej u s ta tt h eb e g i n n i n gs t a g e t h ep r o d u c t sh a v er e l i e do ni m p o r tf o ral o n g t i m e t h ew h o l es y s t e mo fd e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r eo fd r yg a ss e a l p r o d u c th a sn o ty e tb e e ns e tu p i nt h i st h e s i s ，t h ef l o wo ft h eg a sb e t w e e nt h es p i r a l g r o o v ed r yg a ss e a lf a c e si si n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo f s p i r a lg r o o v e sg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h es e a lp e r f o r m a n c ei s d i s c u s s e da n dt h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h er e s e a r c hi sh e l p f u lf o rt h ed e s i g n ，r e l i a b l e a n d l o n g l i f e o p e r a t i o n o ft h e s p i r a lg r o o v ed r yg a s s e a lu s e di n c e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h eg a sf l o wb e t w e e nt h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l f a c e si s e s t a b l i s h e d ，t h e n t h e h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o nf o r m u l ao fi s o t h e r m a l c o m p r e s s i b l ef l u i di sd e d u c e d ( 2 ) u t i l i z i n gt h eg a l e r k i nm e t h o d ，af i n i t ee l e m e n tp r o g r a m i sd e v e l o p e da n dt h e h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nf o r m u l ai ss o l v e dn u m e r i c a l l y t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f 1 1 1 螺旋槽干气密封数值模拟及其槽形参数优化 t h eg a sf i l mi so b t a i n e d t h em a i ns e a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s u c ha so p e nf o r c e ， f r i c t i o nf o r c eo ft h e f a c e ，f r i c t i o n a lp o w e rl o s s ，a x i a l s t i f f n e s sa n d l e a k a g e a r e c a l c u l a t e ds u b s e q u e n t l y ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo f t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dt h es p i r a lg r o o v e sg e o m e t r i c p a r a m e t e r so nt h es e a lp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h es p i r a l g r o o v e sg e o m e t r i cp a r a m e t e r si s a l s od i s c u s s e d t h eg r o o v ed e p t h f i l mc l e a r a n c e r a t i oh a sa ni m p o r t a n te f f e c to nt h es e a l p e r f o r m a n c e t h es p i r a la n g l e a n dt h e g r o o v e - d a ml e n g t hr a t i oh a v eas i g n i f i c a n te f f e c to nt h es e a lp e r f o r m a n c e h o w e v e r ， t h eg r o o v e r i d g ew i d t hr a t i oa n dt h eg r o o v en u m b e rh a v er e l a t i v e l yl i t t l ee f f e c to nt h e s e a lp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h er e c o m m e n d e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h es p i r a l g r o o v e a r e p r e s e n t e d ( 6 6 0 f l 7 5 。，4 7 5 h g 6 5 ，o 4 0 8 0 7 0 ，o 4 0 r o 5 5 ， 1 0 2 ，即沿运动方向上流体膜 的厚度是逐渐变薄的。当下板以速度u 沿x 方向运动时，粘性流体被带入楔中。由于粘 性流体分子之间的内摩擦阻力，使得各层间 速度存在一定的差异。以图中的三角形面积 表示体积流量，因为间隙的入口大出口小， 为了满足流动的连续性条件和机械能守恒 定律，必然要产生如图所示的压力分布，此 压力减小入口的流速而增加出口的流速，保 证流过各截面的体积流量相等。 、 。一u o 图2 3 楔形板内速度和压力分布 f i g 2 3d i s t r i b u t i o no f p m s s u r e a n dv e l o c i t y 由此可见，流体动压润滑的形成需要三个条件： ( 1 ) 两表面之间有相对的运动； ( 2 ) 两表面之间有楔形间隙； ( 3 ) 两表面之间有润滑剂。 1 1 产生流体动压效应的类型 ( 1 ) 密封面由于局部压力及热变形产生楔效应，从而产生流体动压力。 ( 2 ) 密封面加工成各种形状浅流槽( 如矩形槽、圆弧槽、螺旋槽和人字槽 等) 而产生流体动压力，如图2 - 4 所示。 ( 3 ) 由对中误差或角度误差而产生流体动压力。 ( 4 ) 由密封面的微观表面粗糙度而产生流体动压力。 2 ) 几种流体膜层承载力的比较 除了图2 3 所示的平面收敛流体膜层具有动压承载力外，瑞利台阶面型流体 膜层、组合流体膜层也具有动压承载力，各膜层的承载力见表2 1 。从表中可以 硕士学住论文 看出，瑞利台阶面型流体膜层具有最大的承载能力，平面收敛流体膜层具有最小 的承载能力，前者比后者大2 3 。组合流体膜层也具有较高的承载能力。 ( a ) 矩形槽；( b ) 外圆弧槽：( c ) 内圆弧槽 ( d ) 外螺旋槽：( e ) 内螺旋槽；( f ) 人字槽 图2 - 4 产生流体动压效应的密封面流槽形状 f i g 2 4s h a p eo f s e a lf a c eg r o o v ey i e l d i n gd y n a m i c a lp r e s s u r e 2 1 3 流体动、静压润滑比较 流体动压润滑是一种十分经济的润滑方式，其应用也最广泛。这种润滑具有 摩擦系数小、加工容易、成本低廉等优点，但其可靠性不如静压润滑。另外，因 其润滑膜的建立依赖于表面的相对运动速度，所以在机器启动和停车时有一阶段 不是全膜润滑，故不能完全避免磨损，设备一般也不能带载启动。 与流体动压润滑相比，流体静压润滑的主要优点在于【4 9 1 ： ( 1 ) 不要求两表面间构成收敛间隙和足够的相对速度，相反地，其承载能 力和油膜厚度均与滑动速度无关。 ( 2 ) 极好的油膜刚度。通过采用特殊的供油系统和节流装鬣，可以使油膜 刚度为无限大，甚至可以设计得使油膜厚度在载荷增加时不但不减小，反而增加。 从而补偿其它零件的变形，使轴承获得很高的支承精度。 ( 3 ) 很低的摩擦系数。对于大型轴承可以实现在全膜润滑条件下启动，以 消除静摩擦力的影响，减小启动力矩。 静压润滑的主要缺点是结构复杂、加工困难，并要求配置可靠的供油系统。 这些缺点限制了它的广泛应用。 1 4 螺旋槽千气密封数值模拟及其槽形参数优化 表2 - 1 几种流体膜层的承载力的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f l o a dc a p a c i t yo f s e v e r a lf l o wm e m b r a n e s 特 a = h t h 2 最大承载力间隙值 模型( 最大承 l l 2 征 暇。h ( x ) 载时) 2 1 1 00 工 水缆 平 o 1 6 6 3 u 攀2 面 ： ；一华x 收 敛 流 讥娥k 体 膜 j 二二3 3 二二7 层 u 1 8 6 62 5 4 9 o 加5 2 鸳2 0 x l l 瑞 而： h - - h 1 珍彩钐獭 利 。彩黝 阶 厶x 上 流 h = h 2 体 膜 i i ，3 3 j 二二3 i i i 、7 层 上 2 2 5 04 。t u b l 2 0 x 三一 i y罩 组 联 嘲一半x 合 流 体 膜 层 厶x 、j u 一 = 2 2 2 螺旋槽干气密封的工作原理及受力分析 2 2 1 工作原理 螺旋槽干气密封的结构示意图 如图2 5 所示。它主要由加载弹簧、 0 形网、静环以及动环组成。静环 和加载弹簧被安装在静环座中，并 依靠o 形圈进行二次密封。静环一 般用较软的、有自润滑作用的材料 如石墨制造，在弹簧等载荷的作用 下，可沿轴向自由移动。动环依靠 轴套固定在旋转轴上弗随轴旋转。 1 - 动环；2 静环；3 牌簧；4 静环座 5 8 ；o 形圈；6 转轴；7 轴套 图2 5 螺旋槽干气密封结构 f i g 2 - 5s c h e m a t i co f s p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l l5 硕士学位论文 动环由硬度高、刚性好且耐磨的材料如碳化钨、碳化硅制造。 螺旋槽干气密封设计的特别之处是在动环表面加工出一系列螺旋状沟槽，深 度一般为2 5 1 0 p m 。螺旋槽通常采用泵入型，如图2 - 6 所示，并且槽型线一般 选用对数螺旋线，数学上可用下面方程加以描述f 5 0 】。 r = e 8 9 。= k e 啦咿 ( 2 1 ) 式中o 起始半径，m m ； 0 角度坐标，。： 口螺旋角，o 。 其工作原理可用图2 7 来说明：缓冲气体( 可以是经过滤后的压缩机出口气、 氮气或惰性气体) 注入到密封装置，动、静环在流体静压力和弹簧力的作用下保 持贴合，起到密封的作用。当动环旋转时将被密封气体周向吸入( 泵吸作用) 槽 内，气体沿槽向榴根部运动，由于受到密封堰的阻碍，气体作减速流动并被逐渐 压缩。在此过程中，气体的压力升高，即产生了流体动压力。当压力达到一定数 值时，具有挠性支承的静环将从动环表面被推开，这样密封面之间始终保持一层 极薄的气膜( 厚度l 3 9 m ) ，所形成的气膜一方面能有效地使端面分开，保持非 接触，另一方面又使相对运转的两端面得到冷却。同时，密封面问极小的气膜间 隙有效地控制泄漏到最低的水平。 图2 7 工作原理 f i g 2 - 7o p e r a t i o np r i n c i p l e 图2 - 6 泵入型螺旋槽 f i g 2 - 6p u m p i n g i ns p i r a lg r o o v e 2 2 2 受力分析 以静环为研究对象，对其作受力分析。 ( 1 ) 压缩机在停止运转时，作用于密封副上的力只有流体静压力。静环受 两个方向的力，如图2 _ 8 所示。个是使密封面闭合的力r ，它由弹簧力和静 螺旋槽干气密封数值模拟及其槽彤参数优化 环后面被密封介质压力p l 以及背压p 2 引起的力组成。 最= 7 。a + p 1 4 + p 2 a 2 ( 2 - 2 ) 其中爿为密封面面积。另一个是使密封面开启的力，它由作用在密封面上的 流体静压力引起。此时开启力小于闭合力，静环端面和动环端面贴合。起到静态 密封作用。 闭合力开启力一， 图2 8 流体静压力分布 f i g 2 8h y d r o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ( 2 ) 在正常运转条件下，静环仍受到两个方向的力。闭合力由弹簧力和静 环后面被密封介质压力p i 以及背压印引起的力组成。开启力则由作用在密封端 面上的流体静压力和流体动压力引起，如图2 - 9 所示。当闭合力与开启力相等时， 即肛f b 时，密封处于平衡工作状态，动环与静环之间形成一个稳定的间隙。 ( 3 ) 当受到外来干扰 时，可能导致密封面之间的 间隙改变。当间隙减小时， 由气膜产生的开启力显着 增加，此时f c f o ，密封间隙将减小，密封也会很 快恢复到平衡位置，如图2 - 1 0 ( b ) 所示。 由以上的受力分析可见，螺旋槽干气密封系统具有自我调节的能力，这种自 我调节的结果使得动环和静环之间能自动形成一个稳定的带压剐性气膜，起到密 封作用，并且保证动环和静环之间非接触、无磨损，从而使密封具有较长的工作 寿命。 口日h 曰 闭 硕士学位论文 鋈 p i p 2 缓 闭合力r 目 p l 霪 开蛊如fe 【a )【bj a ) 间隙减小时气膜压力的分布：( b ) 间隙增人时气膜压力的分布 图2 1 0 间隙变化时气膜压力的分布 f i g 2 - 1 0h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw h i l eg a pc h a n g e s 2 3 密封面的结构几何参数 密封面的结构几何参数主要包括密封面中各类直径( 如内半径d ，、外半径 d 0 和平衡直径d b ) 、密封面宽度6 ，、平衡系数b 和螺旋槽的形状几何参数。槽形 几何参数包括螺旋角卢、槽深h 、槽台宽比最槽长坝长比居日槽数心。 1 1 内半径d 。 由于静环与轴相对转动，所以静环内径与轴套直径之间需留有一定间隙，一 般取1 3 m m 。 口= d + ( 1 3 ) m m ( 2 4 ) 2 ) 密封面宽度6 ， 与普通机械密封中的密封面宽度相比，螺旋槽干气密封需要有较宽的密封 面。其取值为普通机械密封中所需6 ，的3 5 4 5 倍川。在高压工况下，上述取 值要稍大一些。在6 ，确定后即可求得密封面外半径d o 。 砬= d i + 2 b ( 2 5 ) 3 ) 平衡系数b 平衡系数也叫平衡比，被用来表示介质压力变化对流体静压效果的影响程 度。螺旋槽干气密封中平衡系数可表示为： 。噬一珥 扣毒可 ( 2 6 ) 平衡系数取大于o 6 的值较为合适【5 2 】。 4 ) 螺旋角 螺旋角定义为曲线上任一点处的切线与过极点的射线的交角，如图2 - 6 所示。 5 ) 槽台宽比万 r尉脚口h 曰日 脚口h 口曰 螺旋槽干气密封数值模拟度其槽形参数优化 槽台宽比是指同一圆周上槽的宽度与整个槽台宽度之比，它的大小反映了螺 旋槽宽度的大小，如图2 - 1 1 所示。 占= b j b ( 2 7 ) 6 ) 槽长坝长比， 槽长坝长比是指槽的长度同密封面宽度之比。 r ：尘三( 2 8 ) 2 4 螺旋槽干气密封的主要性能参数 1 ) 刚度 螺旋槽干气密封两密封端面间 的气膜阻止着间隙的变化，每单位膜 厚变化引起的力的变化称为刚度，其 单位为n m 。正的刚度能使密封抵制 压力及其它机械扰动的变化，避免密 封副的接触。气膜的刚度可用来描述 非接触密封保持工作稳定的特性。流 譬警鬯掣苎妻切、向! “曼翌兰皇? “耋l 。 图2 _ 1 1 槽台示意图 在分析计算时，主要考虑气膜轴向刚f i g 2 _ 1 1s c h e m a t i cd a g 基。；i er i d g ea n d 酽。v e 度对密封性能的影响。 2 、泄漏量 由于密封是非接触式的，因而泄漏是不可避免的。对于非接触式密封，一般 用泄漏量衡量其运行特性。影响泄漏的因素很多，如速度、压力、温度以及气体 的粘度和密封结构等。实验表明，在动环表面开有螺旋槽的气体密封中，泄漏量 是相当小的，泄漏量近似与间隙的三次方成正比1 5 “。 3 ) 摩擦功耗 螺旋槽干气密封尽管是一种非接触密封，但旋转面与流体之间仍然存在着剪 切应力，并且由于间隙小，切应力相对较大，所产生的摩擦功耗是不能忽略的。 摩擦功耗是干气密封装置运行时所消耗的总功的主要部分。摩擦功与气体的粘 度，问隙以及转速有关。 4 ) 开启力 螺旋槽干气密封运行时使密封面相互分开的力称为开启力。它由介质压力和 旋转时产生的流体动压力组成。 9 硕士学住论文 2 5 螺旋槽干气密封的典型结构 嫘疑槽干气密封设计和选用的依据主 要是气体成分、气体压力、工艺状况和安 全性要求等。实际应用中，其主要有三种 布置形式：单端面密封结构、串联密封结 构和双端面密封结构【2 j 。 单端面密封结构又称单级密封，主要 用于中、低压条件下，允许少量工艺气体 泄漏到大气环境中的场合，一般用于无毒 气体如n 2 、c 0 2 和空气等。其运行的极 限条件为：密封压力2 7 6 m p a ，温度2 6 0 ，线速度1 5 2 r n s 。单级密封的布置形式 如图2 1 2 所示。 蔼2 1 2 单端面密封 f i g 2 - 1 2s i n g l es e a la r r a n g e m e n t 串联式干气密封是应用最普遍的种结构形式，如图2 1 3 所示。串联式干气 密封由两级或更多级单级密封按照相同的方向首尾相连，每级密封分担部分载 荷。通常情况下采用两级结 构，第一级( 主密封) 承担 全部载荷，另外一级作为备 用密封，它基本不承受压 降。当主密封受损时，二级 密封即起作用。在压力很高 的场合，可采用三级串联式 密封。其中前两级密封分担 总的负荷，第三级作为备用 密封。串联式干气密封可用 于烃类气体场合，其运行的 极限条件为：密封压力 8 2 7 m p a ，温度2 6 0 ，线 速度1 5 2 r n z 。 图2 1 3 串联密封 f i g 2 - 1 3t a n d e m s e a la r r a n g e m e n t 如果处理的是有毒的或有危险的气体，不允许介质泄漏到大气中，此时，可 用两密封面相反安装的双端面密封，该密封包括两个静环和一个动环，如图2 一1 4 所示。在两密封面间有惰性气体或者氮气作为缓冲气，缓冲气的压力总是维持在 比被密封介质压力高的水平，使得气体泄漏的方向朝着工艺介质侧，这就保证了 工艺气体不会向大气泄漏。双端面密封主要用于有毒、易燃易爆的气体场合以及 不允许有污染的食品加工和医药加工过程。 螺旋槽干气密封数值模拟及其槽形参数优化 图2 1 4 双端面密封 f i g2 - 1 4d o u b l es e a la r r a n g e m e n t 2 6 螺旋槽干气密封的材料和辅助系统 2 6 1 材料 螺旋槽干气密封的操作极限与密封组件的许用载荷有关，温度和压力极限由 所用的辅助密封橡胶和端面材料决定。因此，材料的选择对密封装置长周期可靠 运行十分重要。 1 ) 密封端面材料 螺旋槽干气密封的端面材料需要有低的热膨胀系数和高的导热性，这样可以 有较好的热流动性，从而降低动、静环的热变形。为了减小端面的压力变形，需 要其材料有高弹性模量和强度系数。同时，由于压缩机启、停过程中密封副必然 会产生接触，因此密封副材料还需要有较好的耐磨性能。常用材料如表2 - 2 所示 5 4 5 引。 表2 - 2 端面材料的物理特性 t a b l e2 - 2p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f f a c em a t e r i a l s 牡能参数 密度导热系数热膨胀系数弹性模量抗压强度硬度 材料 k g d m 3 、圳m c ( x1 0 4 ) g p am p a洛氏a 浸s b 石墨 2 2 50 842 0 4 05 0 02 0 s i c3 1 71 24 54 5 01 0 3 41 4 0 t i c4 53 073 7 99 0 09 2 w c - n i1 4 51 866 0 01 1 0 08 9 w c - c o1 4 52 05 54 0 0 5 3 01 0 0 09 0 s i 3 n 4 3 2 643 2 82 2 0 3 2 01 2 0 0 8 5 动环材料一般选择碳化钨或碳化硅，其优点是变形小、导热系数高、自润滑 硕士学位论文 性能好和硬度高。静环常采用浸锑石墨。其材料配对情况及优缺点见表2 3 。 表2 3 动、静环配对材料 t a b l e2 - 3m a t e r i a l so f t h e r o t a t i n ga n ds t a t i o n a r yr i n g 材料组合静环动环优缺点 软硬浸锑石墨w c c o抗冲击性强、硬度略低 软硬浸锑石墨 w c n i抗腐蚀性强、硬度略低 软硬浸锑石墨 s i c抗腐蚀性强、比较脆 2 ) 辅助密封材料 辅助密封材料指的是除动、静环配合密封以外的其余软性密封材料，主要为 o 形圈。对于辅助密封最重要的特性是温度极限，挤压特性和压力相关的气吸现 象。在气吸的环境下，密封腔的压力突然下降将导致o 形圈的变形。为了消除 气吸的损害，压力下降率应低于2 m p a m i n 。表2 - 4 为o 形圈的选择示例。 表2 - 4 辅助密封圈的选择 t a b l e2 - 4s e l e c t i o no f t h es e c o n d a r y o - r i n g 压力( m p a )温度( )o 形圈材料肖氏硬度 应用场合 富气、循环氢、c 0 2 、 p 3 02 0 + 1 5 0 标准氟橡胶 7 5 a 空气、n 2 等 富气、循环氢 2 0 + 1 5 0 氟橡胶 9 0 a 3 0 p 1 2 0天然气 2 0 + 2 5 0全氟橡胶7 0 9 0 a高腐蚀、高温气体 p 1 2 02 0 + 1 3 5 高级，晴橡胶 7 5 a乙烯 3 ) 构件材料 壳体、轴套和压盖等构件的材料一般采用不锈钢。当介质中存在潮湿酸性气 体，例如硫化氢气体时，金属材料的最大洛氏硬度应控制在h r c 2 2 ，构件其 它材料的选用也应遵循这一原则。通过控制材料的硬度，可以防止产生应力腐蚀 开裂。 2 6 2 辅助系统 典型的螺旋槽干气密封辅助系统如图2 1 5 所示【5 6 1 。该辅助系统远比“湿式” 密封辅助系统简单，其主要包括供气系统和控制系统。供气系统主要功能是供给 密封洁净的缓冲气体和吹扫气体。控制系统主要功能是对供气系统的压力、流量 进行控制，监控密封装置的运行状态。 ( 1 ) 洁净的缓冲气注入和控制。气源可以是经过滤后的压缩机出口气体， 或者是独立的、与工艺气体可兼容的气体。缓冲气压力要高于被密封气压力0 1 o 3 m p a 。为了确保密封槽区不被堵塞，过滤器过滤等级至少需达到5 p m 级，并 螺旋槽干气密封数值模拟及其槽彤参数优化 且应使用两个双联单元以保证任何状态下的切换和维护。 ( 2 ) 压缩机吸入气参比线，用以操纵吸入缓冲气的差压控制器。 ( 3 ) 密封气体排出参比线，用以操纵吹扫气体的差压控制器( 仅用于危险 性气体工况) 。 ( 4 ) 洁净的吹扫气体注入和控制。吹扫气体压力高于泄漏出的气体压力 0 1 - - 0 1 5 m p a ，通常采用氮气。对于无危险性的工况，也可省去泄漏气吹扫的过 程，少量泄漏的密封气可安全地排放到大气中去。 压缩机油泵运行前，必须引入一股隔离气体( 氮气) 到干气密封装置，以防 止密封部件和油的接触。压缩机使用前，一般先注入洁净的氮气启动和保护密封 面。正常运行时，注入来自压缩机出口的经过过滤器过滤的工艺气。 压 或 p d c 图2 - 15 典型干气密封辅助系统 f i g 2 1 5t y p i c a la c c e s s o r ys y s t e mo f d r yg a s s e a l 2 7 螺旋槽干气密封特点及其与其它机械密封的比较 螺旋槽干气密封是一种气膜润滑的非接触式密封。它有以下特点1 5 7 l ： 1 ) 能耗低 工作状态下仅由端面内气膜的粘性剪切和密封内气体搅动产生热损，能耗仅 几百瓦，是浮环密封的十几分之一。 2 ) 寿命长 为非接触式密封( 密封面之间的间隙大约为3 5 1 t m ) ，因此，正常工作时没 有端面磨损，寿命长。 3 1 泄漏少 仅有极少量的气体泄漏损失，只为油膜密封的1 0 。 硕士学位论文 4 ) 无污染 无需复杂而庞大的密封油系统，消除了密封油对工艺回路的污染。 5 ) 综合造价和运行维护费用低 因为气源和控制系统比较简单，投资费用约为油膜密封的2 3 ，运行费用低， 检修维护工作量小。 螺旋槽干气密封相对其它动密封而言，其优点非常明显。目前其主要缺点是 密封产品价格较高，而且由于动环通常为碳化硅等脆性材料，容易碎裂，修复难 度大。表2 5 列出了干气密封与部分动密封的优缺点【5 8 。 表2 - 5 干气密封与部分动密封的特点 t a b l e2 - 5f e a t u r eo f d r yg a ss e a la n ds o m ed y n a m i cs e a l s 密封型式优点缺点 a ) 非接触式，寿命长： a ) 泄漏量大。运行维护费用高； b ) 结构简单； b ) 有污染环境的危险： 迷宫密封c ) 抽气方案不易制定，抽气强度 c ) 采用抽气式或充气式可密封危 不好控制，充蒸汽会加剧中间 险性气体。 冷却器的腐蚀。 a 1 密封油内漏量大； a ) 非接触式寿命长；b ) 密封油系统复杂，占地面积太， 浮环密封 b ) 转速和压力适用范围广运行维护费用高； c 1 密封油易污染工艺回路。 a ) 阻封气体消耗量大； 曲内泄漏较小，系统简单； b 1 存在内泄漏污染工艺回路的危 机械密封险； b ) 油气压差大，控制较容易。 c ) 属接触式密封，极限转速受限 制。 a ) 非接触式，寿命k 可靠性高； a ) 密封价格贵，供货周期长、售 b ) 无污染，不需密封油系统 后服务漫： 干气密封b ) 尽管维护费用低，但一旦出现 c ) 功率消耗低； 事故，损坏通常比较严重，动 d ) 可用于高压高速场合。 环释易碎裂，修复难度大。 硕士学位论文 第三章螺旋槽干气密封数值模拟 3 。l 计算流体力学 3 1 1 计算流体力学概述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 以理论流体力学 和计算数学为基础，是流体力学的一个分支。它通过在计算机上求解描述流体运 动、传热和传质的偏微分方程( 组) ，并对上述现象进行过程模拟，从而获锝流 体在特定条件下的有关信息。c f d 可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流 动结构的工程设计了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优 点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期 长、难度高的实验研究来说，c f d 的优点就更为突出【5 。因此，将c f d 与工程 研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。可以说， c f d 是一种有效和经济的研究手段。 c f d 数值模拟实质是通过时、空离散，把描述流体运动的连续介质数学模 型离散为大型代数方程组，建立可以在计算机上求解的算法，从而获得问题所需 的解。主要的数值方法有：有限差分法、有限元法和边界元法即】，近年来有限体 积法亦成为一种被广泛采用的数值方法。差分法特别适用于求解非定常问题( 抛 物型、双曲型) ，但不适于表面复杂的曲线边界。有限元法首先是在固体力学中 发展起来的，比有限差分法较晚用于流体力学计算，该方法适用于求解复杂边界 的定常问题( 椭圆型) 。有限体积法由j a m e s o n l 6 1 】等人于1 9 8 1 年提出，它能够处 理具有任意几何外形，任意曲线网格物体的绕流问题，常用于传热问题分析。 3 。l 。2 流体力学有限元法概述 早在上个世纪四十年代就出现了有限元方法计算的思路，但真正用以解决工 程中的数值计算问题是在高速电子计算机出现以后，首先在飞机与导弹的复杂结 构设计中采用。1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t 0 p p 发表了在结构力学中采 用有限元方法的第一篇论文，但当时并没有用“有限元方法”这个名称。“有限 元方法”( f i n i t ee l e m e mm e t h o d ) 这个名称，是1 9 6 0 年c l o u g h 在一篇结构分析 的有限元方法计算论文中首次明确提出的【6 2 】。这以后，有限元方法就如同有限差 分法那样，成为微分方程数值计算中的一种重要方法。 在连续介质力学中，有限元方法在弹性力学、结构力学等方面的应用已相当 成熟，已成为在这些领域中用以解决实际问题的强有力的数值计算工具。但在流 体力学领域中，由于物理模型和数学方程比固体力学要复杂得多，因此有限元方 法的应用要晚一些。1 9 6 5 年两位固体力学工作者z i e n k i e w i c z 和c h u n g 提出了用 有限元方法解决位势流问题的可能性，被认为是有限元方法用于解决流体力学问 螺旋槽干气密封数值模拟厦其槽形参数优化 题的起点。以后的几年，有限元方法被迅速应用到流体力学中诸如位势流、渗流、 低雷诺数流、润滑等方面。七十年代开始，流体力学的其它领域也陆续采用了这 种方法。1 9 7 4 年在英国召开的关于流体力学中有限元方法的专题国际会议上， 所发表的8 5 篇论文几乎涉及到流体力学的所有应用领域。之后，于1 9 7 6 年与 1 9 8 0 年分别在意大利和加拿大召开了第二、第三次专题国际会议。流体力学中 有限元方法的理论研究和实际应用的文献报导日益见多。可以认为，有限元方法 已经成为流体力学中进行理论研究、实验分析以及解决工程实际问题的强有力的 数值计算工具【6 ”。 3 1 3 有限元