王 智, 吳雨筱, 韓 旭, 蔡文奎, 孟金祥

(華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北保定 071003)

隨著能源領(lǐng)域的發(fā)展和裝備制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,發(fā)電機(jī)組正朝著大型化和高效化方向發(fā)展[1]。為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo),需對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,降低化石能源的消耗量,并加強(qiáng)對(duì)低品位熱源的利用。超臨界二氧化碳(SCO2)作為一種新型的做功工質(zhì),其臨界溫度為31 ℃,臨界壓力為7.38 MPa,具有密度高、比熱容大、黏度低、壓縮系數(shù)小、無(wú)毒無(wú)害和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。此外,SCO2密度接近液體密度,黏度接近氣體黏度,同時(shí)具備液體的傳熱載熱能力和氣體的流動(dòng)性能,被認(rèn)為是最理想的熱能循環(huán)工質(zhì)之一[4-6]。

密封部件作為SCO2循環(huán)中壓縮機(jī)和透平的關(guān)鍵配件,對(duì)整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的效率起著非常重要的作用。相較于傳統(tǒng)的迷宮密封和刷式密封,干氣密封具有泄漏量小、磨損功耗小、使用壽命長(zhǎng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[7],盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但已經(jīng)成為SCO2旋轉(zhuǎn)做功部件軸端密封的首選[8]。Fairuz等[9]研究了在近臨界點(diǎn)和遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)2種條件下干氣密封的穩(wěn)態(tài)性能,發(fā)現(xiàn)在臨界點(diǎn)附近使用理想氣體方程時(shí)誤差較大,而真實(shí)氣體狀態(tài)方程能準(zhǔn)確模擬密封性能。Du等[10]基于真實(shí)氣體模型,采用熱流固耦合方法研究不同槽深下SCO2干氣密封性能,分析了進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、速度和膜厚對(duì)密封性能的影響。許恒杰等[11]借鑒考慮慣性效應(yīng)的氣體止推軸承理論,考慮了阻塞流效應(yīng)和氣膜黏度變化,分析層流狀態(tài)下干氣密封的穩(wěn)態(tài)性能。沈偉等[12]在考慮慣性項(xiàng)和實(shí)際流態(tài)的膜壓基礎(chǔ)上,采用有限差分法得到膜壓,對(duì)比分析了實(shí)際修正模型和經(jīng)典簡(jiǎn)化模型的高速SCO2干氣密封氣膜剛度和泄漏率。劉柯煒等[13]建立了SCO2變黏度、變密度條件下的雷諾方程,求解得到開(kāi)啟力、泄漏量、摩擦扭矩和氣膜剛度等參數(shù)。楊青等[14]建立了在慣性效應(yīng)下黏度和密度發(fā)生改變時(shí)螺旋槽干氣密封動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型,采用有限差分法和小擾動(dòng)法求解SCO2干氣密封的動(dòng)態(tài)特性參數(shù),分析了遠(yuǎn)離及靠近臨界點(diǎn)2種工況下,SCO2干氣密封動(dòng)態(tài)特性的變化規(guī)律以及慣性效應(yīng)對(duì)其的影響。

筆者在經(jīng)典螺旋槽干氣密封[15]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改型,基于疊加組合原理,建立一種組合型螺旋槽密封端面,將其應(yīng)用于SCO2壓氣機(jī)軸端密封,并構(gòu)建SCO2實(shí)際氣體模型,分析在臨界點(diǎn)附近其端面幾何參數(shù)對(duì)干氣密封氣膜開(kāi)啟力、泄漏量和剛漏比的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 流體域的基本假設(shè)

螺旋槽干氣密封中的流場(chǎng)計(jì)算十分復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,作出如下假設(shè)[16]:(1) 密封端面剛性良好且光滑;(2) 潤(rùn)滑氣體為牛頓流體,氣體在流動(dòng)過(guò)程中與固體壁面無(wú)滑移;(3) 忽略系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響;(4) 固體的材料特性保持不變,不考慮形變的影響;(5) 忽略粗糙度對(duì)密封的影響;(6) 動(dòng)靜環(huán)溫度保持不變,忽略摩擦產(chǎn)生的熱量對(duì)流場(chǎng)的影響。

1.2 流動(dòng)控制方程

1.2.1 流動(dòng)因子

定義流動(dòng)因子a來(lái)判斷干氣密封中的流動(dòng)狀態(tài),流動(dòng)因子考慮了徑向流動(dòng)和周向流動(dòng)產(chǎn)生的影響,用流動(dòng)因子的大小來(lái)判斷流體的流動(dòng)狀態(tài),a>1時(shí)表示紊流,a<1時(shí)表示層流[17]。

(1)

(2)

(3)

式中:r為旋轉(zhuǎn)半徑,mm;ρ為密度,kg/m3;Rec為徑向雷諾數(shù);Rep為切向雷諾數(shù);ω為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速,r/min;h為氣膜厚度,μm;μ為動(dòng)力黏度,Pa·s;Vr為流體的相對(duì)速度,m/s。

1.2.2 連續(xù)性方程

采用求解雷諾平均Navier-Stokes (RANS)方程來(lái)模擬流體,將其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。對(duì)于單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,連續(xù)性方程為:

?·(ρvr)=0

(4)

式中:vr為相對(duì)速度向量。

1.2.3 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程如下:

?(ρvrvr)+ρ(2ω0×vr+ω0×ω0×r)=-?p+

?·τ

(5)

式中:ω0為角速度向量;p為壓力,Pa;τ為應(yīng)力張量。

1.2.4 能量守恒方程

能量守恒方程如下:

?(τ·vr)

(6)

vr=v-ur

(7)

ur=ω0×r

(8)

式中:H為焓,kJ/kg;v為絕對(duì)速度向量;v1為相對(duì)速度,m/s;u1為旋轉(zhuǎn)速度,m/s;ur為旋轉(zhuǎn)速度向量;T為溫度,K;k為熱導(dǎo)率,W/(m·K)。

1.3 狀態(tài)方程

由于CO2在臨界點(diǎn)附近表現(xiàn)為高度非線(xiàn)性,理想氣體狀態(tài)方程已無(wú)法滿(mǎn)足計(jì)算準(zhǔn)確度的要求,因此必須采用實(shí)際氣體狀態(tài)方程[18]。在接近CO2臨界點(diǎn)時(shí)Span Wagner多參量狀態(tài)方程具有優(yōu)異的性能,在模擬計(jì)算時(shí)準(zhǔn)確度較高,因此采用Span Wagner方程[19]。Span Wagner狀態(tài)方程表示為:

(9)

式中:A為亥姆霍茲自由能;R為氣體常數(shù);φ為量綱-亥姆霍茲自由能;φ0為量綱-亥姆霍茲自由能理想部分;φr為量綱-亥姆霍茲自由能減少量;δ為密度比例系數(shù);τ1為溫度比例系數(shù)。

1.4 穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)

判斷干氣密封穩(wěn)態(tài)性能的主要參數(shù)包括氣膜開(kāi)啟力F、泄漏量Q[16]、氣膜剛度K及剛漏比Г。其中,氣膜開(kāi)啟力是指維持干氣密封正常運(yùn)轉(zhuǎn),使動(dòng)靜環(huán)形成穩(wěn)定氣膜所需的軸向推力;泄漏量是指單位時(shí)間從密封系統(tǒng)內(nèi)泄漏的氣膜中的流體總量;氣膜剛度為氣膜開(kāi)啟力與氣膜厚度的比值,其大小可反映密封系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力;剛漏比是氣膜剛度與泄漏量的比值,可用于評(píng)價(jià)密封在相同泄漏量下形成的氣膜剛度,是反映密封綜合性能最重要的指標(biāo)。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:pg為氣膜作用于靜環(huán)端面某處的壓力,Pa;Ri和Ro分別為密封內(nèi)半徑和外半徑,mm;h為氣膜厚度,μm;θ為柱坐標(biāo)系下的極角;Ng為槽數(shù)。

2 物理模型建立及網(wǎng)格劃分

2.1 組合型螺旋槽物理模型的建立

以組合型螺旋槽模型為研究對(duì)象,在傳統(tǒng)螺旋槽的基礎(chǔ)上,再增加一個(gè)窄螺旋槽結(jié)構(gòu),動(dòng)環(huán)開(kāi)槽端面結(jié)構(gòu)如圖1所示。該組合型螺旋槽由外徑周向的寬螺旋槽和沿寬螺旋槽根部的窄螺旋槽組合而成。其設(shè)計(jì)原理是在密封運(yùn)行時(shí),動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生泵吸效應(yīng),帶動(dòng)密封氣體周向流入寬螺旋槽并徑向運(yùn)動(dòng),由于入口面積減小,氣體流入窄螺旋槽時(shí)被壓縮,提高了端面的氣膜開(kāi)啟力,同時(shí)槽區(qū)面積減小也降低了工質(zhì)泄漏量。由于模型具有周期對(duì)稱(chēng)性,為了節(jié)省計(jì)算資源并提高計(jì)算效率,選擇模型的1/Ng作為計(jì)算域。為便于觀察,在流體域軸向放大1 000倍。圖1為整體氣膜模型以及1/Ng的氣膜模型。組合型螺旋槽結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 組合型螺旋槽結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

(a) 圓周氣膜模型

2.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

將建好的模型保存為step格式,先將其導(dǎo)入DesignModeler,對(duì)每個(gè)面進(jìn)行定義,再導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于端面氣膜厚度和開(kāi)槽深度為微米級(jí)別,與干氣密封半徑尺寸差距過(guò)大,為便于網(wǎng)格劃分,將軸向尺寸擴(kuò)大1 000倍,使其與半徑處于相同的尺寸級(jí)別,網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。流場(chǎng)具有中心對(duì)稱(chēng)性,取1/Ng為計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用周期性邊界條件進(jìn)行設(shè)置,即p(θ+2π/Ng)=p(θ)。將與動(dòng)環(huán)接觸的流體表面部分設(shè)為無(wú)滑移壁面,與靜環(huán)接觸的流體表面設(shè)為反旋轉(zhuǎn)壁面。流體域的入口邊界條件設(shè)置為壓力入口,出口邊界條件設(shè)置為壓力出口,穩(wěn)態(tài)可壓縮RANS方程采用隱式分離三維有限體積法求解。動(dòng)量方程和能量方程均采用二階精確迎風(fēng)離散格式,壓力采用Standard格式。采用SST湍流模型,密封介質(zhì)為SCO2。采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力-速度耦合,以減小由于非正交網(wǎng)格而產(chǎn)生的誤差。干氣密封工況參數(shù)如表2所示。

表2 干氣密封工況參數(shù)

圖2 1/Ng模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置對(duì)Fluent數(shù)值模擬的計(jì)算精度和計(jì)算速度有明顯影響。以氣膜厚度為3.05 μm、槽深為5 μm、槽數(shù)為12、螺旋角為15°、入口壓力為10 MPa和出口壓力為0.1 MPa為例,分別選擇網(wǎng)格數(shù)量為62 835、100 772、180 531、262 470和332 015。表3為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性參數(shù)對(duì)比結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到180 531時(shí),泄漏量相對(duì)誤差小于1%,滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

表3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性參數(shù)對(duì)比

2.3 CO2物性參數(shù)處理

CO2在臨界點(diǎn)附近表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線(xiàn)性特點(diǎn),CO2的密度和黏度變化如圖3所示。目前,普遍采用由NIST開(kāi)發(fā)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)軟件REFPROP來(lái)獲取SCO2的物性參數(shù)[16]。通過(guò)Spyder軟件調(diào)用CO2物性參數(shù),并通過(guò)Fluent中的UDF接口導(dǎo)入編寫(xiě)好的物性數(shù)據(jù),構(gòu)建SCO2物性數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)其密度、比熱容、黏度和熱導(dǎo)率進(jìn)行編程編譯,從而保證在臨界點(diǎn)附近CO2物性參數(shù)的準(zhǔn)確性。

(a) CO2密度

3 結(jié)果及分析

在考慮實(shí)際氣體效應(yīng)、慣性效應(yīng)和湍流效應(yīng)的基礎(chǔ)上,對(duì)經(jīng)典螺旋槽干氣密封和組合型螺旋槽干氣密封的性能進(jìn)行對(duì)比,重點(diǎn)研究臨界點(diǎn)附近槽長(zhǎng)、槽深、螺旋角和氣膜厚度等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)SCO2組合螺旋槽密封性能的影響。由于動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)使得流體產(chǎn)生切向剪切運(yùn)動(dòng),密封內(nèi)的流體受到離心作用,會(huì)影響密封性能。使用SCO2作為密封介質(zhì),相較一般工作介質(zhì),SCO2具有較高的密度,臨界點(diǎn)附近密度變化比較劇烈,離心效應(yīng)更強(qiáng)烈,進(jìn)而影響流體的流動(dòng)。因此,需對(duì)離心效應(yīng)、慣性效應(yīng)和黏性泵送等影響密封性能的重要因素進(jìn)行分析。

3.1 螺旋槽干氣密封與組合型螺旋槽干氣密封性能的比較

以槽長(zhǎng)為69 mm、螺旋角為15°、槽數(shù)為12、槽深為5 μm、膜厚為3.05 μm、入口壓力為10 MPa、出口壓力為0.1 MPa、入口溫度為360 K以及轉(zhuǎn)速為10 000 r/min為例,對(duì)比螺旋槽干氣密封與組合型螺旋槽干氣密封的性能。圖4為螺旋槽干氣密封和組合型螺旋槽干氣密封氣膜開(kāi)啟力和泄漏量的柱狀圖。窄螺旋槽的存在增強(qiáng)了組合型螺旋槽干氣密封氣膜端面的動(dòng)壓效應(yīng),使得密封端面氣膜開(kāi)啟力提高1.1%,密封的支撐力更大,有利于形成穩(wěn)定的氣膜。與螺旋槽干氣密封相比,組合型螺旋槽的泄漏量降低了18.8%,密封作用更好。因此,相較于螺旋槽干氣密封,組合型螺旋槽干氣密封的綜合性能明顯提升。

圖4 螺旋槽干氣密封和組合型螺旋槽干氣密封的氣膜

3.2 幾何參數(shù)對(duì)組合型螺旋槽干氣密封性能的影響

以螺旋角為15°、槽數(shù)為12、槽深為5 μm、膜厚為3.05 μm為例。圖5(a)為不同槽長(zhǎng)下氣膜壓力分布云圖。隨著槽長(zhǎng)的增加,密封端面最大氣膜壓力由11 654 834 Pa增加至12 023 131 Pa,窄螺旋槽槽根處的平均膜壓也增大。隨著槽長(zhǎng)的增加,螺旋槽末端形成的局部高壓區(qū)域擴(kuò)大。這是由于SCO2密度較高,能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的黏性剪切作用和離心效應(yīng),從而使得吸入氣體增多,在凹槽處形成高壓區(qū)域,同時(shí)黏性剪切作用和離心效應(yīng)隨著槽長(zhǎng)的增加而更加明顯,具體表現(xiàn)為槽區(qū)高壓范圍變大,密封端面壓力峰值增大,這有利于形成更穩(wěn)定的氣膜支撐力。

(a) 氣膜壓力分布云圖

圖5(b)為不同槽長(zhǎng)下氣膜開(kāi)啟力、泄漏量和剛漏比的折線(xiàn)柱狀圖。隨著槽長(zhǎng)的增加,氣膜開(kāi)啟力和泄漏量均下降,剛漏比增大。盡管槽長(zhǎng)的增加會(huì)使得密封端面壓力峰值增大,但實(shí)際產(chǎn)生的升力較小,這是由于槽長(zhǎng)較大的密封在壩區(qū)產(chǎn)生的壓力較低,在離心效應(yīng)的作用下,靠近壩區(qū)外徑區(qū)域的壓力下降更快,同時(shí)壩區(qū)面積增加,導(dǎo)致氣膜開(kāi)啟力下降。泄漏量下降的原因是隨著槽長(zhǎng)的增加,密封端面壩區(qū)變寬,產(chǎn)生的黏性摩擦效應(yīng)和離心效應(yīng)較強(qiáng),這有利于阻礙流體向外流出,降低泄漏量。槽長(zhǎng)由66 mm增加至69 mm時(shí),端面氣膜開(kāi)啟力下降0.35%,泄漏量下降12.73%,剛漏比增加13.34%。由此可知,槽長(zhǎng)對(duì)泄漏量的影響較大,密封性能隨槽長(zhǎng)的增加而提高。

以螺旋角為15°、槽數(shù)為12、槽長(zhǎng)為69 mm、膜厚為3.05 μm為例。圖6(a)為不同開(kāi)槽深度下的氣膜壓力云圖。隨著開(kāi)槽深度的增加,密封端面最大膜壓逐漸增大,在開(kāi)槽深度為10 μm時(shí)槽根達(dá)到最大膜壓(15 601 827 Pa)。其原因是在槽深增加的影響下組合型螺旋槽產(chǎn)生了更強(qiáng)烈的階梯效應(yīng),由于窄螺旋槽處流通通道突然變小,氣體之間的相互作用更強(qiáng)烈,有效受力面積增大,更有利于CO2分子間碰撞,從而在螺旋槽根處達(dá)到最大膜壓。但是,膜壓與槽深的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系,在槽深達(dá)到一定厚度時(shí),階梯效應(yīng)不會(huì)無(wú)限提高,反而會(huì)因密封壩區(qū)域泵送效應(yīng)不足而導(dǎo)致端面最大膜壓下降。

(a) 氣膜壓力云圖

圖6(b)為不同開(kāi)槽深度下氣膜開(kāi)啟力、泄漏量和剛漏比的折線(xiàn)柱狀圖。隨著槽深的增加,氣膜開(kāi)啟力和泄漏量增大,剛漏比降低。槽深由3 μm增加至10 μm時(shí),氣膜開(kāi)啟力和泄漏量分別增大27.58%和43.24%,剛漏比下降10.93%。由于密封端面壓力峰值隨著槽深的增加而增大,在凹槽末端壓力達(dá)到最大,此處密封動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng),整個(gè)密封端面的壓力提高,有利于形成穩(wěn)定的氣膜開(kāi)啟力。槽深的增加也使得槽區(qū)面積增大,動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)流體產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)的能力降低,密封壩區(qū)離心效應(yīng)減弱,使得泄漏量明顯增大,密封綜合性能隨槽深的增加而降低。

以槽深為5 μm、槽數(shù)為12、槽長(zhǎng)為69 mm、膜厚為3.05 μm為例。圖7(a)為不同螺旋角下的密封壓力云圖。隨著螺旋角的增大,密封的槽根壓力增加,螺旋角為14°時(shí)槽根壓力最小(11 536 379 Pa),螺旋角為17°時(shí)槽根壓力最大(12 815 620 Pa)。在一定范圍內(nèi),通過(guò)增大螺旋角可以增加氣膜最大壓力。這是由于密封槽和密封壩區(qū)存在楔形臺(tái)階,這對(duì)流體起到導(dǎo)向作用,氣體沿槽內(nèi)間隙減小的方向流動(dòng),氣體進(jìn)一步被壓縮,使得動(dòng)壓效果增強(qiáng),端面氣膜開(kāi)啟力增大。

(a) 密封壓力云圖

圖7(b)為不同螺旋角下氣膜開(kāi)啟力、泄漏量和剛漏比的折線(xiàn)柱狀圖。隨著螺旋角的增大,端面氣膜開(kāi)啟力和泄漏量也增大,剛漏比減小。螺旋角由14°增加至17°時(shí),氣膜開(kāi)啟力增大3.1%,泄漏量增加4.3%,密封剛漏比降低7.2%。螺旋角增加使得槽區(qū)徑向尺度增加,從而吸入氣體量增加,氣膜開(kāi)啟力增大。單位時(shí)間內(nèi)流入螺旋槽的CO2氣體增加,在一定空間內(nèi)氣體的徑向流動(dòng)速度增大,也使得向外流出的氣體量增加,導(dǎo)致泄漏量增加,密封綜合性能下降。

以槽深為5 μm、螺旋角為15°、槽長(zhǎng)為69 mm、膜厚為3.05 μm為例。圖8(a)為不同槽數(shù)下的密封壓力云圖。槽根氣膜最大壓力與槽數(shù)之間的關(guān)系并非單調(diào)的,開(kāi)槽數(shù)為12時(shí)槽根氣膜最大壓力最高,為12 023 131 Pa;開(kāi)槽數(shù)為18時(shí)槽根氣膜最大壓力最低,為11 200 669 Pa。相對(duì)于開(kāi)槽數(shù)為12,雖然開(kāi)槽數(shù)增加后槽根最大膜壓略有降低,但槽區(qū)總面積也相應(yīng)增大,徑向氣膜壓力分布更加均勻,密封的支撐性能整體保持穩(wěn)定。

(a) 密封壓力云圖

圖8(b)為不同開(kāi)槽數(shù)下氣膜開(kāi)啟力、泄漏量和剛漏比的折線(xiàn)柱狀圖。端面氣膜開(kāi)啟力隨槽數(shù)的增加有所波動(dòng),開(kāi)槽數(shù)為16時(shí)氣膜開(kāi)啟力最大,開(kāi)槽數(shù)為20時(shí)氣膜開(kāi)啟力最小。槽數(shù)的變化對(duì)氣膜開(kāi)啟力的影響并不明顯。泄漏量隨著開(kāi)槽數(shù)的增加而降低,開(kāi)槽數(shù)為12時(shí)泄漏量最高,開(kāi)槽數(shù)為24時(shí)泄漏量最低,與開(kāi)槽數(shù)為12時(shí)相比泄漏量下降50%,槽數(shù)增加使得每個(gè)槽區(qū)的面積減小,單個(gè)槽區(qū)流體泄漏通道變小,使得泄漏量在一定槽數(shù)內(nèi)降低,因此增加一定的開(kāi)槽數(shù)可以使泄漏量顯著降低。剛漏比隨槽數(shù)的增加而逐漸增大,開(kāi)槽數(shù)為12時(shí)剛漏比最小,開(kāi)槽數(shù)為24時(shí)剛漏比最大,相比開(kāi)槽數(shù)為12時(shí)剛漏比增大近1倍,密封綜合性能顯著提升。

以槽深為5 μm、螺旋角為15°、槽長(zhǎng)為69 mm、槽數(shù)為12為例。圖9(a)為不同膜厚下的密封壓力云圖。槽根氣膜最大壓力隨膜厚的增加而降低,氣膜厚度為2.05 μm時(shí)槽根氣膜最大壓力最高,為18 344 786 Pa;氣膜厚度為7.05 μm時(shí)槽根氣膜最大壓力最低,為9 985 602.4 Pa。膜厚較小時(shí)泵送效應(yīng)較高,凹槽末端形成局部高壓。泵送效應(yīng)是由凹槽中的黏性泵送以及限制流體向外流動(dòng)的壩區(qū)中離心效應(yīng)和黏性摩擦效應(yīng)引起的。膜厚增加導(dǎo)致泵送效應(yīng)降低,動(dòng)壓效應(yīng)不足,密封壩區(qū)域的周向壓力分布更均勻,會(huì)對(duì)槽根最大壓力產(chǎn)生不利影響,從而使得端面氣膜開(kāi)啟力顯著降低。

(a) 密封壓力云圖

圖9(b)為不同氣膜厚度下氣膜開(kāi)啟力、泄漏量和剛漏比的折線(xiàn)柱狀圖。端面氣膜開(kāi)啟力隨著膜厚的增加而降低。膜厚較小時(shí),SCO2的黏性剪切作用更強(qiáng),吸入的氣體量增多,使得凹槽壓力較高,密封壩區(qū)域的離心效應(yīng)更強(qiáng),導(dǎo)致端面氣膜開(kāi)啟力增大。泄漏量隨著氣膜厚度的增加而增加,氣膜厚度的增加使得動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的間隙增大,流體流通通道擴(kuò)大,導(dǎo)致干氣密封泄漏量增加。隨著膜厚的增加,干氣密封剛漏比明顯下降,氣膜厚度為2.05 μm時(shí)剛漏比最大,氣膜厚度為7.05 μm時(shí)剛漏比最小,氣膜厚度的增加使密封綜合性能急劇下降。

綜上,槽長(zhǎng)為69 mm、槽深為5 μm、槽數(shù)為12、螺旋角為15°、氣膜厚度為2.05 μm時(shí)干氣密封的剛漏比最大,密封綜合性能最好。

4 結(jié) 論

(1) 相較于螺旋槽干氣密封,組合型螺旋槽干氣密封密封端面氣膜開(kāi)啟力提高1.1%,泄漏量降低18.8%,密封性能更佳。

(2) 組合型螺旋槽干氣密封的幾何參數(shù)對(duì)密封性能具有較大的影響。槽長(zhǎng)較大的密封在密封壩區(qū)具有更高的黏性摩擦和離心效應(yīng),槽長(zhǎng)由66 mm增加至69 mm時(shí),泄漏量降低12.73%,剛漏比增加13.34%,密封性能提高;槽深由3 μm增加至10 μm時(shí),密封壩區(qū)的離心效應(yīng)降低,泄漏量增加43.24%,剛漏比下降10.93%,密封性能降低;螺旋角由14°增加至17°時(shí),泄漏量增加4.3%,剛漏比下降7.2%,密封性能降低;槽數(shù)由12增加至24時(shí),泄漏量下降50%,剛漏比增大近1倍,密封綜合性能顯著提高;隨著氣膜厚度的增加,泄漏量明顯增加,剛漏比急劇下降,密封綜合性能顯著降低。