针对450MWe超临界二氧化碳(SCO2)压气机设计的轴端螺旋槽干气密封结构,采用数值求解三维雷诺时均Navier-Stokes(RANS)和SST湍流模型的方法研究了螺旋槽深度和角度对其性能的影响。基于与实验测量的空气介质的螺旋槽干气密封性能实验数据的对比,验证了数值方法的准确性。计算了5种螺旋槽深度和4种螺旋角下SCO2螺旋槽干气密封的泄漏量、开启力和开漏比。结果表明螺旋槽深度的增加会显著提升干气密封螺旋槽根部的最高压力和高压力区域,进而导致具有更高的开启力,同时增加了泄漏量。螺旋角为20°时,螺旋槽深度从3μm增加至7μm,开启力最大增加9.07%;螺旋角为25°时,泄漏量最大增加18.67%;螺旋角为15°时,螺旋槽深度是3μm的干气密封具有最大的开漏比,此时干气密封在各螺旋槽深度下具有最好的综合性能。研究工作可为SCO2螺旋槽干气密封性能分析提供参考。

螺旋槽干气密封因设备故障检修、停车等处于静止状态时,其密封性能相比旋转状态下具有明显的差异性和关联性。研究螺旋槽干气密封在静止时的密封性能。根据螺旋槽窄槽理论,得到螺旋槽干气密封静止时密封端面间气膜压力控制方程,并运用解析法求解,获得端面间气膜压力分布、开启力和泄漏率等密封性能参数。结果表明:随着边界压力或膜厚增大,静态泄漏率逐渐增大,当静态泄漏率达到JB/T11289-2012标准规定的最大静态泄漏率时,端面仍处于接触状态;静止状态下的开启力、槽根处的气膜压力和泄漏率随槽深的增加先增大,在槽深大于一定值后趋于稳定;密封端面间的开启力、泄漏率总体上随台槽宽比的增加而减小,但在台槽比为0~10范围内,开启力和泄漏率的变化不大。

传统螺旋槽在背风口处有一处明显的低压区,影响螺旋槽的密封性能。为提高传统螺旋槽的密封性能,在传统螺旋槽的基础上提出一种新型螺旋槽结构。该槽型在传统螺旋槽的背风处一侧并列了一个槽根半径不同短槽,且两槽的槽深相等,形成一个槽根较长的新型螺旋槽结构。通过建立传统螺旋槽与新型螺旋槽的几何模型,利用ANSYS仿真软件对2种槽型进行数值模拟。结果表明,新型螺旋槽的开启力、泄漏量及刚度等干气密封性能均优于传统螺旋槽。对流固耦合下的密封环进行应力、变形分析,对比2种槽型密封环在相同操作参数下的流固耦合应力、变形等的差异。计算结果表明:随着转速与入口压力的增加,2种槽型的动、静环最大应力、变形量均呈现上升趋势,且动环的最大应力、变形量始终大于静环,新型螺旋槽的最大应力、变形量始终大于传统螺旋槽。

采用数值模拟和经验公式对一典型螺旋槽干气密封的对流传热系数进行计算,考虑气膜轴向厚度、转速和密封腔气体入口速度3个影响因素,比较和分析计算结果。结果表明：2种方法的对流传热系数量级相同,但数值结果比经验公式结果更加详细。气膜轴向厚度和转速均对动环润湿面对流传热系数的影响较大,对静环润湿面对流传热系数的影响非常小。密封腔气体入口速度增大,静环润湿面对流传热系数增大,而动环润湿面对流传热系数减小。