高速旋转轴新型复合密封结构的设计与流场分析

高速旋转轴新型复合密封结构的设计与流场分析

动力机械在社会生产中发挥着重要作用，其密封系统也非常重要。最常用的密封方法是宫内密封。由于迷宫密封成本低、结构简单、密封性能好，因此采用轴流泵、涡轮、涡轮和鼓风机等动力机械。当前国内外很多学者已经对不同形式的密封系统进行了深入的研究,如东南大学的常鑫、傅行军采用fluent软件对二维直通式迷宫密封进行数值计算,并对迷宫密封的结构参数进行了改进1建立模型和网格划分1.1新型复合密封结构的建立根据轴流泵的吸油原理,在单向高速运行减速机或泵等旋转轴的迷宫密封与轴承之间添加一个叶轮,以期在高速旋转时,在密封腔内产生高于被密封的腔体内的流体压力.根据密封端盖和叶轮的结构参数,利用Creo软件对密封端盖、叶轮进行三维造型,得出如图1,图2所示的密封端盖和叶轮三维立体图.把图1所示的叶轮与图2所示的密封端盖,安装到高速运行的减速机、泵等箱体上,构成新型复合密封结构,如图3所示.1.2网格生成计算网格的合理设计和高质量生成是CFD计算的前提条件,同时也是影响CFD计算的关键因素之一2方程和边界条件的控制2.1boussi现行通用方程对于密封腔内不可压缩流体的恒定流动,根据Boussinesq涡粘性假设,连续性方程和动量方程、k方程、E方程写成如下通用形式:其中,2.2进口边界条件(1)进口边界条件进口边界条件一般分为压力入口、速度入口和质量入口条件.压力入口边界条件用于定义流场入口处的压强及其他标量函数.这种边界条件既适用于可压流计算也适用于不可压流计算.在未知速度和流量的情况下,本文使用压力入口作为进口边界条件.假设压强分布均匀,流动方向为垂直进口平面方向.压力入口截面的湍动能κ和耗散项的值ε可由下式计算:其中,I为湍流强度;w(2)出口边界条件压力出口边界需要在出口处设置相对压力(静压),同时可以指定出口处回流方向的表示方式;根据复合密封腔内部流场流动特点,设置出口边界为压力出口.(3)固壁条件在粘性流计算中,Fluent使用无滑移条件作为默认设置,当近壁点P到壁面的距离满足11.63<y其中,Δy3结果分析3.1旋转产生的最大平均压力值在Fluent软件中,先设定整体流道入口面(inlet)、出口面(outlet)压力分别为0Pa、0Pa,因为在Fluent中进行仿真模拟时,默认的压力值是一个标准大气压,因此在入口面(inlet)、出口面(outlet)处分别设置压力值为0Pa,也就是相当于入口面(inlet)、出口面(outlet)压力值为一个标准大气压,即单向运行减速机箱体内、外出或泵腔内、外压力差为0Pa.等Fluent运行结果达到稳定状态时,再给出口面增加适当的压力,然后一直重复这样的步骤,直到出现该叶轮在一定的旋转速度下出口面所能产生的最大的压力值.动叶轮的叶片在设计时,有5个截面的安装角α从表1可以看出在转速为3000r/min时,当减速机箱体内或泵腔内的压力值不超过叶轮旋转在出口面(interface-3)处所能产生的最大平均压力值,就可以把润滑油阻挡在减速机箱体内或泵腔内.同时也可以看出在叶片安装角度为模型序号4时,叶轮旋转产生的最大平均压力值最大.说明设计的复合密封结构能够起到密封作用.3.2旋转角度对叶片安装角度的影响经过Fluent的后处理,得到了如表1所示的复合密封腔在9种叶片安装角度下的性能参数.将其绘制成如图6所示的压力随叶片安装角度变化的趋势图.从图6可以看出,在一定的叶片安装角度范围内叶轮随着旋转轴的旋转,在出口面能够产生的最大的平均压力值是随着叶片安装角度的增大先逐渐增加大,再逐渐减小.在9种不同的安装角度中,当角度增量为0.6°时,即叶片安装角度为β4流体仿真分析(1)设计的新型复合密封结构通过流体仿真分析得出,在叶轮高速旋转时,在密封结构出口处能够产生大于被密封的腔体内的流体压力,从而避免润滑油泄露到被密封的腔体外;(2)流体仿真分析得出在一定角度范围内,叶片安装角度对叶轮旋转产生的压力值的影响以及变化