螺旋槽干气密封数值模拟及其槽形参数优化

【摘要】：压缩机轴端密封的可靠性对于实现生产装置的安全、稳定、长周期运行以及 经济效益最大化至关重要。传统的轴端密封有迷宫密封、浮环密封和接触式机械 密封等。近年来,随着密封技术的不断发展和完善,出现了一种新的密封型式– 螺旋槽干气密封。其密封机理是:当密封副间有相对运动时,槽的泵送效应和台 阶效应使气体产生流体动压力,在两密封端面间建立起一刚性气膜,从而保证密 封端面非接触,同时被密封介质的泄漏量控制在一个可以接受的水平。 与传统的轴端密封相比,螺旋槽干气密封具有介质泄漏量少、端面磨损小、 能耗低、运行寿命长和可靠性高等优点。目前,该类密封已被广泛用于离心式压 缩机、离心泵、膨胀机、气体透平机以及其它高速高压机器中。 干气密封技术源于国外。中国的干气密封产品长期以来主要依赖进口,干气 密封技术的研究以及产品的开发尚处于起步阶段,还未建立起一套完整的干气密 封产品设计、开发以及制造体系。本文对螺旋槽干气密封端面间气体的流动过程 进行了数值模拟研究,探讨了端面槽形几何参数对密封性能的影响,并对槽形几 何参数进行了优化设计,旨在为压缩机组用螺旋槽干气密封的设计和安全、可靠、 稳定、长周期运行提供有益的参考。 本文主要研究内容及结论如下: (1)在一定假设的基础上,建立了螺旋槽干气密封端面间气体流动过程的 物理模型,并推导了等温状态下可压缩流体动力润滑控制方程。 (2)采用 Galerkin 法对控制方程进行离散,编制了有限元计算程序,对控 制方程进行了数值求解,得到了端面间气膜的压力分布规律。在此基础上,对螺 旋槽干气密封的主要性能参数–开启力、端面摩擦力、摩擦功耗、轴向刚度以及 泄漏量进行了计算。 (3)分析了操作参数和端面槽形几何参数对密封性能的影响以及槽形几何 参数对密封性能的影响度。结果表明:螺旋角β和槽长坝长比γ对密封性能的影响 高度显著,槽深膜厚比 Hg对密封性能的影响显著,而槽台宽比δ以及槽数 Ng对 密封性能的影响相对不大。研究表明,端面槽形几何参数适宜的取值范围为: 66°β75°,4.75Hg6.5, 0.40δ0.70,0.40γ0.55,10Ng18。研究结果为螺 旋槽干气密封的设计提供了有益的参考。 (4)运用优化设计理论,以获得最大刚漏比为目标,建立了螺旋槽干气密 封端面槽形几何参数优化设计数学模型,采用复合形法对北京燕山石化炼油厂加 氢裂化装置循环氢压缩机 K502 上的 28AT 型干气密封的槽形几何参数进行了优 化,得到了槽形几何参数最优组合:螺旋角β为 75°,槽深 h1为 17.8μm,槽台宽 I WP=5 螺旋槽干气密封数值模拟及其槽形参数优化 比δ为 0.674,槽根半径 rg为 86.8mm,槽数 Ng为 12。结果表明,优化后的干气 密封轴向刚度显著提高,泄漏量下降约 14%。 (5)在天津鼎名密封有限公司的高速试验台上对北京燕山石化炼油厂加氢 裂化装置循环氢压缩机K502上的28AT型螺旋槽干气密封系统进行了试验研究。 试验测出的泄漏量与数值模拟结果较为吻合,最大相对误差小于 25%。表明本文 所建立的螺旋槽干气密封端面间气体流动过程物理模型是正确的,所编制的有限 元求解程序是可行的。