基于CFD正交試驗的螺旋槽干氣密封性能仿真研究

2014-04-06 吳波 四川大學

  基于CFD 數值仿真結合單因素試驗和正交試驗,研究螺旋角、槽深、槽數、槽寬比和槽長壩長比對螺旋槽干氣密封性能的影響。單因素試驗揭示開啟力和泄漏量隨各參數的變化規律,并為正交試驗因素水平合理選擇提供依據。由正交試驗得到分別以開啟力、氣膜剛度和剛漏比為目標函數的最優端面結構。由極差分析得到各結構參數對密封性能影響的主次順序,槽長壩長比是影響開啟力和泄漏量的最主要因素,而氣膜剛度和剛漏比主要由槽深和螺旋角決定。

1、前言

  干氣密封指依靠幾微米氣體薄膜潤滑的機械密封,實現“以氣封氣”,其突出優點有: 密封端面非接觸、磨損小、壽命長、可靠性高。干氣密封已被用于壓縮機、泵、反應釜等大中型旋轉機械的軸端密封。

  研究發現,動環端面結構是影響干氣密封性能的主要因素。螺旋槽干氣密封端面結構參數主要包括: 螺旋角α、槽深H、槽數N、槽寬比ω 和槽長壩長比γ。端面結構參數對干氣密封性能影響的現行研究方法主要是單因素實驗法,即一次只改變一種結構參數,其他參數保持不變。單因素實驗能很好地反映特定工況下干氣密封性能隨單個端面結構參數的變化規律。在真空技術網(www.qbjic.club)以往發布的文章中有利用單因素試驗分析了單個端面結構參數對干氣密封性能的影響規律。單因素試驗方法最大局限就是,要綜合考查各端面結構參數對干氣密封性能的影響,需進行大規模試驗,成本過高。但是,螺旋槽干氣密封性能是由端面結構參數綜合決定。因此,有必要設計正交試驗綜合考察端面結構參數對密封性能的影響。

  在工程設計或科學研究中,常需同時考慮3個及其以上的因素,若進行全面試驗,則試驗規模很大,難以實施。正交試驗法實施多因素試驗,是尋求最優水平組合的一種高效試驗方法,其優點在于: 數據點分布均勻; 所需試驗次數少,即可達試驗要求; 可對試驗結果數據進行極差分析、方差分析、回歸分析等,引出有價值的科學規律。基于CFD 數值仿真方法,首先進行單因素仿真實驗,研究開啟力和泄漏量隨螺旋角α、槽深H、槽數N、槽寬比ω 和槽長壩長比γ 的變化規律,并為正交仿真試驗因素水平范圍合理設定提供依據; 然后根據單因素仿真試驗結論設計正交仿真試驗,找到不同目標函數的最佳端面結構參數組合,并對試驗結果作極差分析,確定各結構參數對密封性能影響的主次順序。

2、螺旋槽干氣密封結構參數和性能參數

  2.1、螺旋槽干氣密封端面結構參數

  圖1 為螺旋槽干氣密封動環端面結構示意,螺旋線滿足對數螺旋線方程,在柱坐標中表示為:

螺旋槽干氣密封動環端面結構

圖1 螺旋槽干氣密封動環端面結構

6、結論

  (1) 單因素實驗揭示開啟力和泄漏量分別隨螺旋角α、槽深H、槽數N、槽寬比ω 和槽長壩長比γ 的變化規律,該密封在下述結構參數范圍內可得到較大開啟力和較小泄漏量: 槽深H = 7μm~ 9μm,槽數N = 12 ~ 16,螺旋角α = 12° ~ 18°,槽寬比ω = 0. 5 ~ 0. 6,槽長壩長比γ = 0. 55 ~ 0. 70;

  (2) 由正交試驗可知: 開啟力、泄漏量、氣膜剛度和剛漏比最優的端面結構參數組合不同。因此,干氣密封設計時,應根據設計目標需要,選擇合適的端面結構參數組合;

  (3) 通過對正交試驗結果作極差分析,得到動環端面結構參數對密封性能影響的主次順序。結果表明,槽長壩長比是影響開啟力和泄漏量的最主要因素,而氣膜剛度和剛漏比主要由槽深和螺旋角決定。