泵用不可壓縮流體密封剛度系數(shù)分析

泵用不可壓縮流體密封剛度系數(shù)分析針對(duì)不可壓縮流體密封彈性支承的問題，分析了負(fù)剛度產(chǎn)生的原因。選用三維流動(dòng)模型，數(shù)值求解Navier-Stokes方程。采用k-ε湍流模型，計(jì)算LNG泵的節(jié)流襯套和口環(huán)密封的動(dòng)力特性系數(shù)，分析在LNG泵不同轉(zhuǎn)速工況下，不可壓縮流體密封的動(dòng)特性變化，并與2倍間隙密封的動(dòng)特性相比較。模擬了密封腔內(nèi)部流場(chǎng)，通過分析比較密封圓周上壓力和速度分布，研究等截面環(huán)形產(chǎn)生負(fù)直接剛度的原因和影響因素。研究結(jié)果說明：等截面環(huán)形密封和槽道式密封的1倍間隙直接剛度小于2倍間隙，1倍間隙交叉剛度大于2倍間隙，密封磨損后穩(wěn)定性反而提高;轉(zhuǎn)速升高使等截面環(huán)形密封和槽道式密封的直接剛度下降，交叉剛度增大，造成穩(wěn)定性下降;等截面環(huán)形小間隙密封，在高轉(zhuǎn)速工況下容易產(chǎn)生負(fù)直接剛度，影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，工程上建議采用槽道式密封控制不可壓縮流體泄漏。

泵葉輪入口輪蓋與進(jìn)口導(dǎo)流管間存在動(dòng)靜間隙。部分高壓流體經(jīng)葉輪出口間隙外泄，并重新回流至泵入口，這股回流既消耗主泵的功率，也干擾主流場(chǎng)流動(dòng)，同時(shí)減小有效通流面積，降低泵的流動(dòng)效率和性能。為了盡量降低這種泄漏，在動(dòng)靜間隙上設(shè)置非接觸式不可壓縮流體密封。

非接觸式密封技術(shù)廣泛應(yīng)用在泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，它能夠有效控制旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件間的泄漏。對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力系統(tǒng)，密封會(huì)提供附加的剛度和阻尼，這對(duì)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性造成一定的影響。Childs等對(duì)控制體方法不斷改良。Arghir等發(fā)展了CFD方法，并計(jì)算動(dòng)力特性系數(shù)。Benckert等做了大量的關(guān)于動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)，并證明密封的交叉剛度是由密封周向流動(dòng)引起的，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)量了不同類型密封的直接剛度，發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)密封的直接剛度為負(fù)值。Leong等[9]蒸汽輪機(jī)迷宮密封做了大量試驗(yàn)，結(jié)果與Benckert等的測(cè)量結(jié)果很吻合，多數(shù)密封直接剛度為負(fù)，少量短密封為正。Mihai等[10]發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口壓差較小時(shí)，出口有回堵現(xiàn)象，動(dòng)力特性系數(shù)中的直接剛度系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，影響轉(zhuǎn)子的對(duì)中效應(yīng)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差。國(guó)內(nèi)何立東等用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究動(dòng)力特性系數(shù)。模擬仿真方面，孫婷梅等利用CFD有限元軟件Fluent計(jì)算迷宮密封三維流場(chǎng)，研究了偏心率、入口預(yù)旋、渦動(dòng)速度對(duì)密封動(dòng)力特性的影響，密封直接剛度維持在負(fù)值范圍，他們計(jì)算出密封周向壓力分布曲線，但是沒有分析產(chǎn)生負(fù)直接剛度的原因。

本文應(yīng)用數(shù)值模擬結(jié)合工程實(shí)際，利用CFD有限元軟件Fluent計(jì)算LNG泵的節(jié)流襯套和口環(huán)密封的動(dòng)力特性系數(shù)，模擬在LNG泵不同轉(zhuǎn)速工況下，不可壓縮流體密封的動(dòng)特性變化，通過分析比較密封圓周上壓力和速度分布，研究等截面環(huán)形密封產(chǎn)生負(fù)直接剛度的原因和影響因素。

密封模型

渦動(dòng)轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型

本文假設(shè)整體計(jì)算域?yàn)橥牧?，湍流模型采用?biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)：

式中：kG表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)，bG表示由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)，MY表示由可壓縮湍流中，耗散率的波動(dòng)項(xiàng)，方程常數(shù)項(xiàng)中C1=1.44，2C1.92，C=0.09，還有=1.0k，=1.3分別是湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，kS和S是自定義源項(xiàng)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是半經(jīng)驗(yàn)公式。

渦動(dòng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型

本文采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在轉(zhuǎn)子中心定義坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子與靜子的相對(duì)位置不變，坐標(biāo)系變換把非定常問題轉(zhuǎn)換成定常問題。圖1所示偏心轉(zhuǎn)子在靜子中渦動(dòng)受力，e為轉(zhuǎn)子偏心距，本文假設(shè)轉(zhuǎn)子繞靜子中心以圓形軌跡渦動(dòng)，渦動(dòng)半徑是轉(zhuǎn)子偏心距e，渦動(dòng)角速度是Ω，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度是ω，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度與渦動(dòng)角速度比值定義為渦動(dòng)比。渦動(dòng)軌跡的徑向力和切向力Fr、Ft。

圖1偏心轉(zhuǎn)子在靜子中渦動(dòng)受力示意圖

結(jié)論

1)等截面環(huán)形密封和槽道式密封的1倍間隙直接剛度小于2倍間隙，1倍間隙交叉剛度大于2倍間隙，密封經(jīng)過磨損泄漏量增大，穩(wěn)定性卻提高。

2)轉(zhuǎn)速使等截面環(huán)形密封和槽道式密封的直接剛度下降，交叉剛度增大，造成穩(wěn)定性下降，且隨轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定隱患成倍增長(zhǎng)。

3)對(duì)于不可壓縮流體，較長(zhǎng)的等截面環(huán)形密封容易產(chǎn)生負(fù)直接剛度，槽道式密封直接剛度通常為正值，比等截面環(huán)形密封更加穩(wěn)定，工程上建議采用槽道式密封控制不可壓縮流體泄漏。

4)對(duì)于等截面環(huán)形密封，高轉(zhuǎn)速容易造成負(fù)剛度現(xiàn)象的重要因素，但對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，為防止這種現(xiàn)象，工程上建議增大間隙以減小轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定隱患。

影響負(fù)剛度的因素很多，在構(gòu)造參數(shù)上，密