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天骥列管式冷凝器(列管式换热器):螺旋槽气膜密封流场数值模拟及性能分析

浏览次数: 发布日期:2019-09-20 09:59

引言

列管式冷凝器搅拌式反应釜专业生产厂家无锡天骥化工设备2019年9月20日讯  螺旋槽机械密封已经广泛应用于泵、压缩机、反应釜等各种选择机械的轴封,具有可以实现被密封介质的零泄漏甚至零逸出、使用寿命大大延长、摩擦功耗低、经济性突出等优点[1]。本文采用数值模拟方法,对在正常工作状态下螺旋槽机械密封间隙流场进行了研究,并总结了转速、膜厚及边界压力对密封性能的影响。

1 理论模型

1.1 基本假设及主要参数

本文以密封间隙气膜为研究对象,并做如下假设:

(1) 由于密封间隙是微米级,气体流动为层流;

(2) 流体膜温度相同,不考虑温度的影响;

(3) 密封间隙气体流动为轴对称稳态流动。

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图1 螺旋槽密封端面示意图

图1所示螺旋槽槽型示意图,螺旋线满足对数螺旋线方程,在柱坐标下表示为[2]

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其中

θ——圆周角,rad;

φ——螺旋角,rad;

rg——槽半径,mm;

ri——环内径,mm;

r0——环外径,mm;

螺旋槽开在静环上,因此,动环相对于静环顺时针方向旋转即可。

1 密封环几何参数及工况参数

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1.2 计算模型及边界条件

由于密封端面几何结构具有周期性,因此只取一个周期为研究对象,边界条件设置如图2所示。为了便于观察,将z方向的尺寸放大1000倍。定义密封环内径处为压力入口,外径处为压力出口;左、右台区的竖直面为周期性边界条件;其他均为壁面边界条件[3]。由于动静环之间存在相对旋转,因此在FLUENT中使用旋转坐标系,并且由右手定则知,旋转轴为-z轴。

 

在FLUENT中,采用二阶迎风格式,压力速度耦合采用SIMPLE算法对流场进行求解[4]

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2 边界条件设置

2 计算结果

2.1 压力分布

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图3 气膜压力分布图

 

图3所示为密封间隙压力分布,由图可知:由于内径侧压力大于外径侧压力,并且在动环的旋转作用下,气体同时受到压差作用及离心力作用,从内径流向外径,在槽区和台区的交界处受到挤压,压力升高并达到最大值,为8.1×105Pa。在z=-0.001平面上,压力随半径的变化关系如图4所示,压力沿半径方向先增大,在经过槽根处后,又迅速减小,在槽根处压力达到峰值。

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图4 气膜压力沿半径方向的分布

2.2 速度分布

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图5 动环端面速度矢量图

 

图5所示为动环端面速度矢量图,由图可知:气体在动环的带动作用下,沿周向旋转,由于内径处压力和离心力的共同作用,总体流动趋势从内径指向外径,能实现密封介质的零逸出。

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图6 周向相对速度分布图

 

图6所示为周向相对速度分布图,由图可知:槽底表面的气体相对于动环端面速度很小,即气体由内径进入后,一部分在槽根处受到阻塞,气体相对于动环速度很小,气体被压缩,压力达到最大;一部分气体越过槽底边界,流向环外径,进入密封介质中,实现密封介质零泄漏甚至零逸出。

3 影响密封性能的因素

影响密封性能的因素较多,本文研究了转速、膜厚及边界压力对密封性能的影响。

3.1 转速

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图7 密封面最大压力随着转速的变化

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图8 泵送量随着转速的变化

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图9 开启力随着转速的变化

图7~9所示为转速对密封面最大压力、泵送量及开启力的影响。由图可知,随着转速不断增加,密封面最大压力、泵送量及开启力不断增加,均呈线性变化关系。这是因为,转速升高时,旋转的动环端面能带动气体更快地沿周向旋转,气体的运动速度增大,因此在槽根处会有更大的冲击,密封面最大压力会变大;并且由于气体运动速度变大,单位时间内从内径进入的气体量会变大,即泵送量会变大;由于密封面上的压力变大,在整个密封面上积分,即开启力变大。氮气与水蒸气相比,密封面最大压力和开启力的变化基本相同,但是由于氮气密度大于150℃时饱和水蒸气的密度,因此,泵送量的变化要比水蒸气快。

 

3.2 非槽区膜厚

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图10 不同膜厚下压力随着半径的变化

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图11 开启力随着气膜厚度的变化

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图12 气膜刚度随着膜厚的变化

图10~12所示为非槽区膜厚对密封间隙内压力分布、开启力及气膜刚度的影响。由图可知,随着非槽区膜厚的增加,密封间隙能达到的最大压力变大,开启力和气膜刚度迅速下降,这样有利于密封端面间隙保持稳定的数值。根据闭合力和开启力的平衡计算,密封正常运转时,非槽区膜厚约为1.5μm,由此可知,在正常工作情况下,密封具有较大的开启力和气膜刚度,能实现稳定的非接触运转。

 

3.3 边界压力

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图13 不同的边界压力下的气膜压力分布

 

图13所示为不同边界压力下,气膜压力沿径向的分布。由图可知,螺旋槽部分压力不断上升,成线性关系,而密封坝部分压力下降,但不呈线性关系;边界压力越大时,密封端面能达到的最大压力越大;当密封端面的最大压力大于密封介质的压力时,就能实现密封的零泄漏和零逸出。

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图14 泵送量随氮气压力的变化

 

图14所示为泵送量随氮气压力的变化,由图可知,随着氮气压力不断增大,泵送量的增加速度变大,这是因为在氮气压力增大时,氮气密度增大,从而导致泵送量的增加速度变大。

 

4 结论

(1)转速、非槽区膜厚及边界压力影响密封的性能:转速越大,则密封面最大压力、开启力和泵送量会越大;在入口压力和出口压力相同的情况下,膜厚越小,则密封面能达到的最大压力越大,流体动压效应越明显,随着膜厚增大,开启力和气膜刚度均会下降;边界压力越大,密封面能达到的最大压力和泵送量越大,当密封端面的最大压力大于密封介质的压力时,能实现密封的零泄漏及零逸出。

(2)在密封正常运转时,保持膜厚为1.5μm,能实现非接触稳定运转,并且能实现密封的零泄漏及其零逸出。

 

参考文献

[1]Tom Lai Development of Non-contacting Non-leaking Spiral Groove Liquid Face Seals[J]. Lubrication Engineering, 1994 (8):625-631.

[2]Gabriel R P. Fundamentals of Spiral Groove Non-contacting Face Seals [J]. Lubrication Engineering, 1994, 50: 215 - 224.

[3]Zhang Jinfeng, YUAN Shou-qi. A numerical simulation of 3-D inner flow in up-stream pumping mechanical seal [J]. Journal of Hydrodynamics. 2006, 18(5): 572-577.

[4]Zhao Gaoluan, Khonsari M M, et al. Numerical simulation of the flow field around the rings of mechanical seals [J].Journal of Tribology, 2006,128(7): 559-565.

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