基于FLUENT技术迷宫密封的结构优化

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2013年第4l卷第9期 流 体 机 械文章编号： 1005-0329(2013)09-0029—04基于 FLUENT技术迷宫密封的结构优化肖 芳，王亚洲。刁安娜，刘常峰(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200072)摘 要： 以压缩机迷宫密封为研究对象，利用 FLUENT模拟气体在迷宫密封中的内部流动，分析了气体在迷宫密封中的速度与压力分布，并研究了间隙宽度和空腔深度对迷宫密封泄漏量的影响，提出了4种不同尺寸的迷宫密封结构 ，分别得到在不同模型下泄漏量与压差之间的变化规律，其中模型 D有效减少了迷宫密封的泄漏虽，提高了密封性能。

关键词： 迷宫密封；结构优化；泄漏量；数值仿真中图分类号： TH136 文献标识码 ： A doi：10．3969／j．issn．1005-0329．2013．09．007Structural Optimization Design of Labyrinth Seal Based on Software FLUENTXIAO Fang，WANG Ya—zhou，DIAO An-na，LIU Chang—feng(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 200072，China)Abstract： Based on the labyrinth seal model of compressor using in flare gas recovery，FLUENT is used to imi~te internal flowof labyrinth seal，the distributive figures of pressure，velocity are obtained，the relationship between leakage and gap width andcavity depth has been analyzed，four diferent size of labyrinth seal was chosen，variable curves of pressure diference and leakageis acquired，model D Can efectively reduce the leakage of labyrinth seal，which improves the seal performance.

Key words： labyrinth seal；structural optimization；leakage；numerical simulation1 引言迷宫密封具有结构简单、使用方便、性价 比高、工作可靠等优点，被广泛应用于压缩机、透平膨胀机、汽轮机等流体机械中，因为迷宫密封的转子和机壳间存在间隙，无直接接触，因此迷宫密封可以适应高温、高压、高转速频率的场合 ]。通过计算相同压差下泄漏量的大小可以衡量迷宫密封性能的好坏，泄漏量越小说明迷宫密封的性能越好。近几十年来，各国学者对迷宫密封做了很多的研究，也提出了很多迷宫密封的泄漏量的计算方法，如 Martin公式、Egli计算方法、Kearton计算方法、Vermes计算方法、Stodala计算方法 J，但是这些方法大都只适用于一定的范围，并不具有通用性，本文通过 FLUENT仿真软件计算气体在迷宫密封中的泄漏量，经相关文献[7]试验验证 ，FLUENT数值仿真结果与试验结果变化规律收稿日期： 2012—12—25 修稿日期： 2013—02—28一 致，误差在可控范围内。于是同时分析当转子按照一定的转速旋转时，气体在迷宫密封中的速度与压力分布，研究不同间隙宽度和空腔深度与泄漏量之间的关系，并基于仿真结果对迷宫密封进行改进，改进后的迷宫密封结构可以有效减少气体的泄漏量。

2 齿顶间隙泄漏量的数值计算分析2．1 模型的建立迷宫密封的齿形是影响密封特性的一个重要参数，常见的迷宫齿形有三角形齿、矩形齿和梯形齿等，本文的研究重点为矩形齿，本文以压缩机迷宫密封结构为例，如图1所示为矩形迷宫密封的结构，迷宫结构级数为4级，其尺寸如图 1所示(图中L=18ram，b=0．1mm，b1=2ram，Bl=2mm，B，=1mm，h=1．5mm)。

FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013图 1 矩形迷宫密封的结构2．2 控制方程及模拟条件2．2．1 控制方程流体在迷宫密封中的流动要满足湍流方程、质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

其守恒方程的通用形式为 ：从图中可以看出，当网格尺寸从小逐渐变大时，即对应网格数量由多到少时，泄漏量的变化量也越来越大，而当网格为0．0075、0．01时，两者的泄漏量相差很小，但是网格数量却相差很大，因此仿真计算时耗时很大，所以在保证计算精度的前提下，为了节约仿真计算时间，本文网格尺寸采用0．O1mm，以后的模型网格划分也以此网格尺寸为准。

十div(p 咖)：div(，gra )+|s(1) 3 仿真结果分析d式中 P——密度￡——时间— — 速度矢量西——通用变量厂——广义扩散系数Is——广义源项通用形式的展开式为：鱼! 尘2+旦( 尘)+旦( 竺尘)+ (卫 尘)a￡ 。 a 。 ay 。 a= 击(厂 )+ (，筹)+击(，警)+S(2)2．2．2 模拟条件气体在迷宫密封内的流动过程，可以认为是二维稳态标准湍流流动 。考虑到迷宫密封的密封间隙小以及气体的黏性、可压缩性等特性，在计算中采用标准 K一￡湍流模型来描述。迷宫密封内的工作介质设为可压缩气体，左端为入口压力，表压为0．15MPa，进口温度为 300K，转子的旋转速度为 3000r／min，右端为压力出口边界，压力为标准大气压。

2．2．3 网格密度对仿真计算的影响网格的大小对迷宫密封的仿真计算结果有一定的影响，以图 1所示模型为基础，计算不同的网格数量对于泄漏量的影响，结果如图2所示。

b一 ×向}嫘0．006 0．Ol2 0．O18网格尺寸(mm)图2 网格尺寸与泄漏量之间的关系按照2．2中的控制方程及模拟条件对迷宫密封模型进行仿真计算，得到气体在迷宫密封模型中的速度矢量图及压力云图，如图3、4所示。

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66e_04图3 气体在迷宫密封中的速度矢量图4 气体在迷宫密封中的压力云图从图3速度矢量中可以看出，当气体从左端进口进入迷宫密封后，由于进口端缝隙很小，流体在节流作用的影响下，气体速度较大，当气体进入到两齿之间的空腔时，由于通流面积突然增大，气体在空腔内形成很强的漩涡，从而使齿缝出来的气体速度急剧下降，气体在空腔中形成很强的漩涡，将动能转化为热能，从而使气体经过一个空腔后的压力也随之降低(从图4压力云图中可以明显看出，从左端人口到右端出口，气体在空腔中的压力呈逐渐递减的趋势，气体在出口处压力达到最低值)。迷宫密封中气体的流动为两种状态，一 种为在气体在缝隙中的射流状态，另一种为气体在空腔中的紊流状态。迷宫密封的密封效果主要就是通过节流间隙的节流过程和空腔中的动能耗散过程实现的。

3．1 间隙宽度的影响=兮 =畲 M ∞+ + + + + + + + + + +e e e e e e e e e e e2 8 4 6 3 l 9 7 4 2 0 4 2 ● 9 5 6 2 8 4 O
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2013年第 41卷第 9期 流 体 机 械 31迷宫密封仿真模型的计算条件与2．2节相同，分别建立间隙宽度 6从 0．1～0．5mm变化时的5组模型，并分别对这5组模型进行仿真计算，得到的间隙宽度与泄漏量之间的关系如图5所示。

26皿硎雩!孽裁2U．1U U．2U 0．30间隙宽度(mm)图5 间隙宽度对泄漏量的影响从图中可以看出：泄漏量随着间隙宽度的增大而增加，这是因为随着间隙宽度的增大，节流作用就会越小，射流与空腔中的漩涡流动质量、能量交换也随之减少，导致泄漏量变大。当气体在迷宫密封中的流动处于湍流状态时，泄漏量与间隙宽度b1．5成正比关系 ]，仿真结果与其这一规律相符，从此规律可以得知间隙越小，密封性能越好，但是在实际设备的运行中，因为热膨胀及装配的原因，如果间隙太小则会导致转子与迷宫密封相接触，从而损坏设备或迷宫密封，影响设备的正常工作，因此间隙宽度的选择需要综合考虑各方面的因素。

3．2 空腔深度的影响迷宫密封仿真模型的计算条件与 2．2节相同，分别建立空腔深度从 0．25—1．2．5mm变化时的5组模型，并分别对这5组模型进行仿真计算，得到的空腔深度与泄漏量之间的关系如图 6所示。

b_ _ ×姻1嫘图6 空腔深度对泄漏量的影响如图所示，当空腔深度从 0．25—0．75ram变化时，泄漏量随着空腔深度的增加迅速减小，这是因为空腔内的漩涡能量耗散更充分，当空腔深度大于0．75mm时，泄漏量随着空腔深度的增加而缓慢减小，这是因为随着空腔深度的不断增加，导致在深处(空腔上部)的气体流动几乎静止，其对于漩涡能量耗散的作用很小，所以泄漏量的减少缓慢。如图7～9所示为空腔深度分别为 0．5、1mm和 1．25mm时气体在迷宫密封中的流速矢量图，从图7中可以看出，当空腔深度为 0．5ram时，在空腔上部，气体速度较大，因为深度较浅的原因动能耗散不充分；如图 8所示，当 h=1mm时，漩涡能量基本可以充分耗散，空腔顶部气体的流速很低，如图9所示，当h为 1．25mm时，在空腔顶部的速度值很小，气体的流动几乎静止，空腔上部很大一部分的气体基本没有参与漩涡能量耗散。

纛2 ．0s6 e+015；2羹一 图7 空腔深度为0．5mm时气体的速度矢量．03e+02． 83e+o2．62e+02． 42e+02． 22e+02．O1e+02．1le+O1．08e+OI．06e+O1．O3e+01． 27e一03图8 空腔深度为lmm时气体的速度矢量2．21e+0；：_55．77 e+0；：．3 2e+。0； 18．83e+01- 4
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11 2．21e+Ol一 8．40e一04图9 空腔深度为 1．25ram时气体的速度矢量4 迷宫密封的改进工程应用中，因为设备壳体基本是固定的，迷宫密封要按照在壳体上，这也就意味着迷宫密封的总长和总高不会变化，因此在迷宫密封的结构优化上，保持 L、6和 h不变 (即总长和总高不变)，通过改变其它尺寸分别建立如表 1所示改进后的4组模型。

—■ ■■■I 32 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013表 1 改进后模型尺寸序列号 级数 Bl(mm) B2(mm) b1(mm)模型 A 5 2 0．8 1模型 B 5 1．5 1 2模型 C 6 2 O．5 0．5模型 D 6 1．5 1 0．75按照表 1所示的尺寸，分别 建立改进后的四组模型，仿真模型的计算条件与2．2节相同，分别对这 4组模型进行仿真计算，得到如图 l0所示气体在不同模型下泄漏量随压差之间的变化规律。

3．5一 2．0一 删嘿O．05 O．15 O．25压差(MPa1图 10 不同模型下泄漏量与压差之间的变化关系如图 l0所示为不同模型下泄漏量与压差之间的变化关系，从图中可以看出，对于任意一个迷宫密封模型来说，泄漏量与压差成正比关系，即压差越大，泄漏量越大，而且其变化关系接近于线性。与原有模型相比，模型 A、B、C、D气体的泄漏量在不同程度上都要小于原有模型的泄漏量，最为明显的是模型D，在相同压差下，模型D要比原有模型的泄漏量小很多，如在压差为 0．25MPa时，模型 D的泄漏量相对于原有模 型减少 了11．87％，在压差从 0．05—0．25MPa区间内，模型D的平均泄漏量比原有模型减少了12．18％。由此可以看出，在不改变迷宫密封总长和总深度的情况下，模型 D可以有效减少迷宫密封的泄漏量，提高迷宫密封的密封性能。

5 结论通过FLUENT计算气体在迷宫密封中的泄漏量，直观地观察气体在迷宫密封中的压力与速度分布情况 ，分析了迷宫密封的工作原理，并研究了间隙宽度和空腔深度对泄漏量的影响，分析得知：(1)泄漏量随着间隙宽度的增大而增大，反之亦然；泄漏量在起始阶段随着空腔深度的增加而迅速减小，当空腔深度到达某一值时，在继续增加空腔深度的情况下，泄漏量减小缓慢；(2)在不改变迷宫密封总长和总高度的情况下，得到四组改进后的矩形迷宫密封模型，并分别对其进行仿真计算，与原有的迷宫模型相比，改进后的迷宫密封模型在不同程度上都比原有模型的泄漏量少，其中以模型 D最为明显，与原有模型相比，平均泄漏量减少了12．18％。

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作者简介：肖芳(1983一)，女，硕士研究生，工程师，主要从事工艺螺杆压缩机研究工作，通讯地址：200072上海市中国船舶重工集团公司第七一一研究所。