高压干气密封流场数值模拟

发布时间：2020-02-25 15:27

【摘要】：干气密封在高温、高压以及各种腐蚀性介质的应用越来越广泛,对高压高温给干气密封带来的影响,研究者们的认识还不足,特别是理论计算中存在许多问题。在高压工况下,干气密封端面气膜流场的压力和温度变化较大,而介质密度、黏度应是随压力和温度的变化而变化的,特别是气体的密度受压力的影响较大。以往的传统干气密封数值模拟中,密封介质的密度大多按照假设温度和压力值选定,并未曾考虑到密封介质物性参数变化对密封性能的影响,因此研究结果难免有些误差。作者提出了高压干气密封流场计算的变密度方法,考虑了流场和温度场变化对密度的影响。首先使用ANSYS Workbench软件对密封环进行热分析,得到了密封环的温度场分布,并推导出端面气膜的温度分布;采用用户自定义函数(UDF)将密封介质N2的密度定义为压力和温度的区间函数,用加载了UDF的Fluent软件对端面气膜流场进行数值模拟计算,通过不断地迭代计算得到端面流场的压力分布和开启力。分别采用变密度(自定义密度为压力和温度的函数)和定密度(直接将密度设定为定值)两种方法,通过Fluent软件对干气密封流场进行了模拟仿真,并进行了网格尺寸在模拟仿真时的无关性验证。对比模拟结果可以看出变密度方法所得到的计算结果更接近工况实际情况,该算法解决了模拟计算中介质物性参数设置的问题,值得借鉴。研究发现:使用Fluent的UDF功能来描述干气密封端面间隙气体密度的变化是可行的,为更精确地模拟端面间隙流场提供了一种新方法。在高压工况下,压力变化对气体密度影响较大,变密度方法能够更加真实地反映其流场。此外还应考虑温度变化对气体密度的影响。
【图文】：

槽长坝长比为λ=0．65。工况条件为:密封介质为N2，密封腔压力p=9MPa，，转速n=12224r/min，取密封工作间隙为h=2．8μm。该密封在中石化四川某厂投入使用，实际测量到正常工况下单套密封的泄漏量为9．6N·m3/h。动环和静环使用的材料分别为钴基碳化钨和碳石墨，在传统算法(即定密度方法)中，取温度和压力的进出口平均值作为定性参数，在本例中密封腔介质压力为9MPa，温度55℃，气膜出口压力为0MPa(表压)，温度89℃，故定性压力为4．5MPa，定性温度为72℃。密封环的物性参数如表1所示，N2物性参数见表2。图1螺旋槽干气密封的结构Fig．1Structureofspiralgroovedrygasseals表1密封环物性参数表［13］Tab．1Parametersofsealingrings［13］材料密度ρ/(kg·m－3)导热系数k/(W·m－1·K－1)热膨胀系数τ/(10－6K)弹性模量E/GPa泊松比ε动环钴基碳化钨1500010046000．26静环碳石墨1800105250．15表2密封介质参数表Tab．2Parametersofsealingmedium密封介质密度ρ/(kg·m－3)黏度μ/(Pa·s)气膜工作厚度h/μm比热cp/(kJ·kg－1·K－1)导热系数k/(W·m－1·K－1)N251．52．11×10－52．81．0410．02971．2密封环热分析及气膜温度分布密封系统内的传热模型如图2所示。其中，Qv为端面气膜的黏性剪切热，为旋转件在旋转时产生的热量。图2干气密封传热模型及边界条件Fig．2Heatmodelandboundaryconditionofdrygasseals由热量守恒原理可知:Qv+QB+Qc=Q1+Q2+Q3。式中，QB为补偿环(静环)传动螺钉和O型圈等产生的摩擦热，Qc为旋转元件产生的搅拌热，Q1为泄漏介质带走的热量，Q2为气膜先传递到动环然后通

rametersofsealingrings［13］材料密度ρ/(kg·m－3)导热系数k/(W·m－1·K－1)热膨胀系数τ/(10－6K)弹性模量E/GPa泊松比ε动环钴基碳化钨1500010046000．26静环碳石墨1800105250．15表2密封介质参数表Tab．2Parametersofsealingmedium密封介质密度ρ/(kg·m－3)黏度μ/(Pa·s)气膜工作厚度h/μm比热cp/(kJ·kg－1·K－1)导热系数k/(W·m－1·K－1)N251．52．11×10－52．81．0410．02971．2密封环热分析及气膜温度分布密封系统内的传热模型如图2所示。其中，Qv为端面气膜的黏性剪切热，为旋转件在旋转时产生的热量。图2干气密封传热模型及边界条件Fig．2Heatmodelandboundaryconditionofdrygasseals由热量守恒原理可知:Qv+QB+Qc=Q1+Q2+Q3。式中，QB为补偿环(静环)传动螺钉和O型圈等产生的摩擦热，Qc为旋转元件产生的搅拌热，Q1为泄漏介质带走的热量，Q2为气膜先传递到动环然后通过动环对流传递到周围密封介质的热量，Q3为气膜先传递到静环然后通过静环对流传递到周围介质的热量。由于补偿环微动，且相对运动部分光洁度高，QB可认为是0［14］;由于密封环的温度高于密封介质的温度，搅拌热Qc传递方向是由动环到密封介质，另外密封腔介质温度55℃已经考虑了搅拌热的影响，故在图2所示的模型中不考虑Qc［15］。由牛顿剪切定律得到半径r处气膜剪切热流密度为:q=τ·ν=μdνdr·ν=μ·rωhν=μ·r2ω2h(1)式中:q为热流密度，W/m2;μ为密封介质的动力黏度，Pa·s;ω为动环角速度，rad/s;r为气膜半径，m;h为气膜厚度，m。假定端面气膜流场处于平行间?

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