組合螺旋型槽干氣密封的設計及結構優化

2015-10-18 王偉 南京林業大學機械電子工程學院

  設計一種由2 個螺旋槽組合構成新型螺旋型槽干氣密封結構,該組合螺旋型槽由沿外圈開設的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部開設的小螺旋槽組合而成。運用流體仿真軟件Fluent 對組合螺旋型槽干氣密封的密封性能進行數值模擬,并與螺旋型槽干氣密封進行比較。通過正交試驗法對組合螺旋型槽干氣密封的結構參數進行優化分析,獲得了以開啟力、泄漏量、扭矩為目標函數的組合螺旋型最優端面結構。結果表明,組合螺旋型槽干氣密封在同等結構參數下的密封性能優于螺旋型槽干氣密封,且壓力、槽臺寬比和槽深越大,組合螺旋型槽在減少泄漏量方面的優勢更加明顯; 對于組合螺旋型槽干氣密封,泄漏量、開啟力、扭矩最優對應的端面結構參數組合不同,在干氣密封設計時,應根據設計目標需要,選擇合適的端面結構參數組合。

  干氣密封是20 世紀60 年代末期在氣體潤滑軸承的基礎上發展起來的新型非接觸式密封。相對于傳統的機械密封,真空技術網(http://www.9334467.live/)認為這類密封具有運行無磨損、功耗小、泄漏量小,結構相對簡單,無需復雜的封油系統等優點。

  螺旋槽干氣密封是所有研究的單一型槽干氣密封中流體動壓和氣膜剛度最強、密封性能最穩定的型槽。為了獲得更小的泄漏量,本文作者設計了一種基于螺旋槽的組合型槽結構,并通過應用計算流體動力學(CFD) 方法對其密封性能進行了研究。

1、組合螺旋型槽結構設計及原理

  設計的新型型槽結構由2 個螺旋槽組合構成,結構如圖1 所示。組合螺旋型槽是由沿外圈開設的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部開設的小螺旋槽組合而成。小螺旋槽的一邊線貼著大螺旋槽,另一邊相對于大螺旋槽做了一段縮進,2 個螺旋槽的深度可取不同值。其結構設計原理為: 當動環旋轉時,在淺槽的泵送作用下,密封氣體周向吸入大螺旋槽內,沿徑向方向流動,而后流入小螺旋槽內,由于小螺旋槽的槽窄,氣體被壓縮,這樣不僅可以形成開啟力,使得密封端面有穩定的氣膜,同時由于槽面積減小,泄漏量也會減小。

組合螺旋型槽端面結構

圖1 組合螺旋型槽端面結構

2、組合型槽性能的CFD分析

  2.1、基本假設

  基于流體力學基本理論,同時考慮密封環和密封系統本身的結構,對密封端面間的氣膜穩態流場分析

  時,進行了如下假設:

  ( 1) 密封端面間氣體的流動屬于連續介質流動;

  (2) 密封氣膜中的氣體作層流運動,屬于牛頓流體;

  (3) 密封在非接觸狀態下工作,流場內溫度、黏度相等;

  (4) 膜厚方向氣體的壓力和密度保持常值;

  (5) 氣體分子與密封表面牢固吸附,無相對滑移;

  (6) 密封為剛性端面;

  (7) 密封的對中性好,忽略在工作過程中系統擾動和振動對氣膜流場的影響;

  (8) 忽略密封端面粗糙度對氣體流動的影響。

3、結論

  (1) 組合螺旋型槽干氣密封在同等結構參數下的泄漏量特性優于螺旋型槽干氣密封,而且壓力、槽臺寬比和槽深越大,組合螺旋型槽在泄漏量方面的優勢更加明顯。

  (2) 對于組合螺旋型槽干氣密封,泄漏量、開啟力、扭矩最優對應的端面結構參數組合不同。因此,干氣密封設計時,應根據設計目標需要,選擇合適的端面結構參數組合。