组合螺旋型槽干气密封的设计及结构优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京林业大学机械电子工程学院 作者:王伟

  设计一种由2 个螺旋槽组合构成新型螺旋型槽干气密封结构,该组合螺旋型槽由沿外圈开设的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部开设的小螺旋槽组合而成。运用流体仿真软件Fluent 对组合螺旋型槽干气密封的密封性能进行数值模拟,并与螺旋型槽干气密封进行比较。通过正交试验法对组合螺旋型槽干气密封的结构参数进行优化分析,获得了以开启力、泄漏量、扭矩为目标函数的组合螺旋型最优端面结构。结果表明,组合螺旋型槽干气密封在同等结构参数下的密封性能优于螺旋型槽干气密封,且压力、槽台宽比和槽深越大,组合螺旋型槽在减少泄漏量方面的优势更加明显; 对于组合螺旋型槽干气密封,泄漏量、开启力、扭矩最优对应的端面结构参数组合不同,在干气密封设计时,应根据设计目标需要,选择合适的端面结构参数组合。

  干气密封是20 世纪60 年代末期在气体润滑轴承的基础上发展起来的新型非接触式密封。相对于传统的机械密封,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这类密封具有运行无磨损、功耗小、泄漏量小,结构相对简单,无需复杂的封油系统等优点。

  螺旋槽干气密封是所有研究的单一型槽干气密封中流体动压和气膜刚度最强、密封性能最稳定的型槽。为了获得更小的泄漏量,本文作者设计了一种基于螺旋槽的组合型槽结构,并通过应用计算流体动力学(CFD) 方法对其密封性能进行了研究。

1、组合螺旋型槽结构设计及原理

  设计的新型型槽结构由2 个螺旋槽组合构成,结构如图1 所示。组合螺旋型槽是由沿外圈开设的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部开设的小螺旋槽组合而成。小螺旋槽的一边线贴着大螺旋槽,另一边相对于大螺旋槽做了一段缩进,2 个螺旋槽的深度可取不同值。其结构设计原理为: 当动环旋转时,在浅槽的泵送作用下,密封气体周向吸入大螺旋槽内,沿径向方向流动,而后流入小螺旋槽内,由于小螺旋槽的槽窄,气体被压缩,这样不仅可以形成开启力,使得密封端面有稳定的气膜,同时由于槽面积减小,泄漏量也会减小。

组合螺旋型槽端面结构

图1 组合螺旋型槽端面结构

2、组合型槽性能的CFD分析

  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,进行了如下假设:

  ( 1) 密封端面间气体的流动属于连续介质流动;

  (2) 密封气膜中的气体作层流运动,属于牛顿流体;

  (3) 密封在非接触状态下工作,流场内温度、黏度相等;

  (4) 膜厚方向气体的压力和密度保持常值;

  (5) 气体分子与密封表面牢固吸附,无相对滑移;

  (6) 密封为刚性端面;

  (7) 密封的对中性好,忽略在工作过程中系统扰动和振动对气膜流场的影响;

  (8) 忽略密封端面粗糙度对气体流动的影响。

3、结论

  (1) 组合螺旋型槽干气密封在同等结构参数下的泄漏量特性优于螺旋型槽干气密封,而且压力、槽台宽比和槽深越大,组合螺旋型槽在泄漏量方面的优势更加明显。

  (2) 对于组合螺旋型槽干气密封,泄漏量、开启力、扭矩最优对应的端面结构参数组合不同。因此,干气密封设计时,应根据设计目标需要,选择合适的端面结构参数组合。

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