基于热变形补偿的干气密封动静环优化

　　干气密封作为一种非接触式密封是目前密封技术研究的热点,它具有低泄漏、低磨损、长寿命以及功耗低、可靠性高等优点。目前干气密封的研究主要是针对螺旋槽型,对T型槽的研究较少[1-3]。相对于螺旋槽型,T型槽干气密封具有双向旋转优势,现在已被广泛地用于离心式压缩机、膨胀机、气体透平机以及其他高速和高压的机器中。在实际工作中,造成密封失效的原因很多,密封端面变形就是主要原因之一。密封环的变形、端面点接触、泄漏量增加、端面气膜不稳定、端面最小膜厚减小、热裂等问题,严重影响着密封的性能、运行安全和使用寿命。分析已有的研究资料和试验数据表明[1-3]:干气密封环端面的热变形在端面变形中起着主导作用。某公司合成气压缩机采用二级串联式T型槽干气密封,在实际使用过程中其一级密封副易失效、破损严重、寿命短。文章拟应用数值方法基于有限元分析软件ANSYS对其一级干气密封在稳态时的热变形进行分析研究,并基于动静环热变形补偿对动静环进行优化,以期获得运行更稳定、寿命更长、零泄漏、性能更好的密封环。

　　1　动静环热变形求解

　　某合成气压缩机T型槽干气密封一级密封副的结构如图1所示,该密封副在运行达到稳定状态后的主要热源与热散有:

　　热源:QV为动静环端面间气膜的粘性剪切热;QA为旋转元件(动环、轴、动环座等)表面与密封腔体产生的搅拌热;QB为辅助元件(密封圈、弹簧、传动螺钉等)的摩擦和振动产生的热量。热散:Q1为旋转元件通过对流换热传给密封介质即腔内合成气体;Q2为动静密封环传给周围缓冲气和介质;Q3为动环传给动环座和静环传给弹簧座组;Q4为密封泄漏带走的热量。

　　热量平衡条件为:

　　1·1　热边界条件

　　干气密封温度场取决于密封产生的热量及其分布。端面间气体粘性剪切热产生摩擦热,旋转元件与流体因搅拌也会产生搅拌热,产生的热量主要由密封环传递给周围流体,泄漏也带走一部分热量,基于密封视为零泄漏,在计算时不考虑泄漏量的影响。散热边界以对流传热为主。

　　1·2　模型简化

　　如图1所示,动环有螺栓的轴向和径向约束,还有一个O型密封圈和一个定心弹簧的作用。O型圈的作用力求解较为复杂,假定O型密封圈的轴向为刚性位移,定心弹簧的径向为刚性位移。静环受静环座的位移约束。动静环的位移约束如图2所示。

　　1·3　热变形结果

　　对T型槽干气密封运行达到稳态时的热-结构耦合变形进行求解时,采用分体法[4]。主要考虑了热量分配问题和约束条件,忽略了力载荷对密封环变形的影响,且密封环及缓冲气体的物理性质不随温度变化。采用耦合实体单元,加载热流量、对流换热系数、边界约束条件,应用有限元分析软件AN-SYS进行求解[5, 6]。