类迷宫螺旋密封与迷宫密封的性能对比研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳理工大学机械工程学院 作者:高远

  往复式压缩机迷宫密封加工过程中,为简化加工工艺,将传统迷宫密封加工成类迷宫螺旋密封。为比较类迷宫螺旋密封与迷宫密封的密封性能差异,分析类迷宫螺旋密封的密封机制,将类迷宫螺旋密封的能量耗散分成类迷宫密封能量耗散和槽向能量损失,采用CFD 方法对类迷宫螺旋密封的密封性能进行数值模拟。结果表明,类迷宫螺旋密封的密封性能虽不及传统迷宫密封,但密封效果相差在5%以内,综合考虑加工工艺、经济效益等因素,采用类迷宫螺旋密封代替迷宫密封是完全可行的。

  迷宫密封是一类在压缩机、燃气轮机、汽轮机等动力机械中广泛应用的非接触密封方式。传统迷宫密封在生产中对加工工艺的要求较高,生产过程较为繁琐。在实际生产中企业一般将迷宫密封加工成螺旋齿,以减小加工难度。由于其外形与螺旋密封相似,称它类迷宫螺旋密封。鉴于类迷宫螺旋密封加工工艺的特殊性,其密封性能应有别于传统迷宫密封,有必要对其密封性能进行研究,以探讨类迷宫螺旋密封代替迷宫密封的可行性。

  以计算流体力学软件FLUENT 为平台,对类迷宫螺旋密封的内部流场进行数值模拟,深入探讨螺旋升角对类迷宫螺旋密封性能的影响,并比较类迷宫螺旋密封与迷宫密封的密封原理和密封性能。

1、类迷宫螺旋密封原理及密封性能

  1.1、类迷宫螺旋密封结构

  与迷宫密封结构相比,类迷宫螺旋密封有螺旋齿和螺旋槽,不可避免地在槽向上存在流体流动。类迷宫螺旋密封内部流体按流动方向分为两部分,一部分垂直于槽向越过齿顶流动,一部分沿螺旋槽方向在槽内流动。如图1 所示,箭头1 代表总的流体流动,箭头2 代表垂直于槽向越过齿顶的流动,箭头3 代表沿螺旋槽方向的流动。

流体流量及速度分解简图

图1 流体流量及速度分解简图

  1.2、槽向速度

  数值模拟中发现,槽向流体并不完全独立而仅沿槽向流动,任何位置都存在一个速度的重新分解。为方便研究,利用微分思想,将密封空腔沿轴向划分为无数微元,在每个微元空间里都可以认为流体仅在槽内流动,那么在任何一个位置槽向流体速度与间隙速度都满足关系式: v槽向= v间隙sinα,α 为螺旋升角。

  1.3 、流体能量损失

  按流体分解的思想可以把类迷宫螺旋密封能量耗散分成类迷宫密封能量耗散和槽向能量损失。

  1.3.1、类迷宫密封能量耗散机制

  该部分流量越过齿顶进入通过节流间隙流经节流点进入膨胀空腔,在该过程中气体压力能转化为动能,导致压力迅速降低,在空腔内气流通过流动的漩涡与空腔壁面阻滞等方式进行能量耗散,压力降低的剩余气体通过节流点继续进入下一个膨胀空腔,循环上面的能量耗散过程,气体压力能得到进一步降低。该过程与传统迷宫密封的密封机制相同,故称之为类迷宫密封能量耗散。

3、结论

  (1) 采用CFD 方法对类迷宫螺旋密封的密封空腔流体流场进行数值分析,得出各种参数的云图,较为真实地反映了流体湍流黏度及涡旋分布等情况。

  (2) 从三维数值模拟可以看出,湍流黏度梯度的变化程度能直接反映流体动能的变化; 气体速度在通过节流点时达到最大,进入下一个空腔,速度减小,压力变大,形成促进能量耗散的涡旋,从而达到密封效果。

  (3) 三维模拟结果表明,虽然传统迷宫密封的密封性能优于类迷宫螺旋密封,但密封效果相差在5%以内,考虑加工工艺、经济效益等因素,采用类迷宫螺旋密封这种密封形式是可行的。

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