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密封间隙对迷宫密封性能影响的三维数值分析

作者:admin  来源:本网 日期:2018-3-8 10:30:43

  况下,建立迷宫密封的三维模型;采用GAMBIT对迷宫间隙进行非结构化网格划分,模拟密封间隙对迷宫密封性能的影响,并与二维截面模型模拟结果进行对比。结果表明:在考虑周向湍流的影响下,泄漏量相对于仅考虑横向及纵向湍流f的影响有明显的减少,表明周向湍流的作用加剧了密封腔内的能量耗散,密封腔内节流效应显著,对整体的迷宫密封效果起到不可忽视的作用;随着间隙宽度的增大,流体速度降低,迷宫间隙内的节流效应降低,泄漏量逐渐增大。

  迷宫密封是通过在密封件转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿,齿与齿之间形成一系列节流间隙与膨胀空腔,密封腔内被密封的介质经过节流间隙和膨胀空腔时产生节流效应和动能耗散而达到阻漏目的师,主要研究方向为往复式压缩机动力系统研究和结构设计、设备润滑系统分析研究和新型油水分离设备的研制等。E-nail:bpbpppp163.com.的密封方式。由于迷宫密封中活塞和气缸间存在间隙,不存在固体接触,毋须润滑,并允许有热膨胀,可以应用于高温、高压、高转速频率的场合,因此该非接触密封方式目前已广泛用于汽轮机、燃汽轮机、压缩机、鼓风机等流体机械中。

  通过数值模拟不同密封结构下流体的运动规律及特点,充分利用湍流动能耗散及节流间隙间的节流作用,进而提高其效率成为研究迷宫密封的重点。迷宫间隙是影响迷宫密封性能的重要参数之。不同的密封间隙宽度对泄漏量及节流效应都有不同的影响,各国学者对此做了广泛而深入的研究,并取得了许多有意义的研究成果8.但目前人们对往复式压缩机中迷宫密封机制的数值模拟一直停留在二维层面,随着计算机技术的飞速发展,CFD技术在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程等领域应用的日趋成熟,基于CFD技术的迷宫密封性能的三维模拟成为可能。本文作者通过GAMBIT对迷宫结构的二维及三维结构模型进行网格划分,利用FLUENT耦合式求解器、k-e湍流模型9以及标准壁面函数分析了间隙宽度对迷宫密封性能的影响。

  1结构模型1.1物理模型选取4级迷宫间隙模型,设定迷宫模型长度为15mm,选取4组不同的间隙宽度进行模拟,间隙宽度h分别选取0.2,0.3,0.4,0.5mm.空腔深度、齿形及齿形夹角都默认选取相同参数。基于以往迷宫密封数值模拟都停留在二维截面模拟层面,本文作者将采用二维及三维实体模型同时进行模拟。考虑到三维实体的数值模拟对计算机提出的要求更高,在保证计算精度的同时减少运算时间,本次三维模型采用1/8迷宫模型进行数值模拟。具体二维截面及三维实体模型如,2所示。

  方程。可表达为连续方程中取对于X方向动量表达方程对于y方向动量表达方程对于z方向动量表达方程选取标准k-e湍流模型。湍流动能表达方程:选取标准壁面函数模型,湍流耗散率方程为湍流动能生成项为选取有效黏性系数为时间,私为动力黏度,各常数CpC2、Cu、。、2.2边界条件在流体动力学(CFD)领域,对物理模型分析选用合理的边界条件是模拟成功的关键一步。即在流体力学方程组求解域的边界上,使得流体物理量满足条件。在流体力学分析软件FLUENT提供的多种边界条件中选取压力入口(Pressure~outlet)及其他默认的壁面(Wall)边界条2.3模拟计算2.3.1求解器设置在流体力学分析软件FLUENT中提供了3种不同的计算方法:(1)非耦合求解;(2)耦合隐式求解;(3)耦合显式求解。每种求解方式各有自己的特点,非耦合求解方法对于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动计算精度较高,并且能够较快地达到收敛精度。本文作者模拟的压缩气体可近似地认为是不可压缩的低马赫数气体,因此,二维、三维迷宫密封模拟均采用FLUENT默认的非耦合式求解器。

  2.3.2模拟参数设置设定进出口压比为3,流动介质默认为空气,模拟过程忽略重力影响,操作环境默认选取标准大气压,迷宫间隙和其他壁面没有滑移边界。

  3模拟结果及分析经过前期的网格划分及初始边界条件的设定,收敛精度设置为1x10'对模型进行迭代,迭代步数均设置为1 000步。在规定步数内模拟模型均达到预期收敛级数,二维及三维气体压力云图如,间隙宽度0.2mm(间醣宽/t0.4间宽度0.3mm二维迷宫模型不同间隙宽度下的压力云图三维迷宫模型不同间隙宽度下的压力云所示的4种迷宫间隙宽度下二维及三维迷宫模型的气体压力云图可看出,在考虑周向湍流影响下,随着迷宫间隙的增大泄漏量逐渐增大。

  通过FLUENT二维、三维数值模拟得到对应于不同间隙的泄漏量,由于模型节流间隙较小,可将密封模型近似当做“粗糙间隙”。将模拟。

  模拟泄漏量与粗糙间隙泄漏量对比从所示的二维、三维数值模拟泄漏量与粗糙间隙泄漏量曲线可以看出,在考虑周向湍流的情况下,相同尺寸的迷宫模型泄漏量更少,模型计算过程中,考虑周向湍流的影响时,模型收敛速度也明显加快。可见,周向湍流的作用加剧了密封腔内的能量耗散,密封腔内节流效应显著,对整体的迷宫密封效果起到不可忽视的作用。同时可以看出,随着间隙宽度的增大,流体速度降低,迷宫间隙内的节流效应降低,通过间隙的气体能量的转化进行耗散的程度减弱,使泄漏量也体现出逐渐增大的趋势。这也进一步说明了间隙宽度与气体泄漏量成反比。

  4结论在考虑周向湍流的情况下,相同尺寸的迷宫模型泄漏量更少,模型计算过程中,考虑周向湍流的影响时,模型收敛速度也明显加快。可见,周向湍流的作用加剧了密封腔内的能量耗散,密封腔内节流效应显著,对整体的迷宫密封效果起到不可忽视的作用。

  随着间隙宽度的增大,流体速度降低,迷宫间隙内的节流效应降低,泄漏量逐渐增大。

  实验结果与经验公式推算结果的对比表明,本文模拟模型的选用、网格的划分都控制在合理范围内,模拟实验具有可行性。

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