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瑞利台阶干气密封流场分析及性能研究

瑞利台阶干气密封流场分析及性能研究

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作者：姜娥兰州理工大学

学位级别：硕士

干气密封被广泛的应用于旋转机械,例如离心压缩机、涡喷式发动机、离心泵等。近年来,研究发现槽型结构对泄漏量的影响很大。针对高危气体的密封,泄漏控制系统要求非常严密,甚至要求零泄漏或零逸出。因此合理的槽型结构设计和排布对泄漏... 详细信息

干气密封被广泛的应用于旋转机械,例如离心压缩机、涡喷式发动机、离心泵等。近年来,研究发现槽型结构对泄漏量的影响很大。针对高危气体的密封,泄漏控制系统要求非常严密,甚至要求零泄漏或零逸出。因此合理的槽型结构设计和排布对泄漏量控制具有重要意义。针对干气密封泄漏量大的问题,本文将瑞利台阶端面结构应用于干气密封性能研究,运用FLUENT仿真软件对气膜流场进行数值模拟,获得了端面气膜压力和流线分布,分析端面密封的泄漏控制机理以及不同工况和结构参数下的密封性能。首先,通过对比有深槽和无深槽结构的瑞利台阶,研究发现有反向深槽的瑞利台阶具有良好的综合密封性能。其工作原理为:当气体从坝区流进内径侧的反向深槽时,端面间隙发散,压力迅速降低,深槽处形成低压区,在压差作用下周围流体被抽吸到低压区,减小了气体沿径向的泄漏量;当气体从外径侧浅槽流向坝区时,端面间隙收敛,气体在坝区被挤压,压力急剧升高,在浅槽槽根处形成高压区,为瑞利台阶提供良好的动压承载力。因此瑞利台阶深槽和浅槽的组合使得干气密封具有良好的综合密封性能。其次,采用FLUENT数值模拟,分析了不同工况下瑞利台阶槽深比、槽长和槽宽比等结构参数对密封性能的影响。研究发现槽长L范围为20°～30°、槽深比h范围为3～10,槽宽比?范围为0.2～0.3,在此范围可以使深槽产生良好的低压抽吸效应以达到控制泄漏的目的;低压高转速工况会显著影响深槽低压抽吸效应,膜厚?优选范围2～3μm,其综合密封性能最优。因此合理的结构设计和工况条件可以增大瑞利台阶深槽的低压区面积,从而使干气密封具有良好的低压抽吸效应以达到控制泄漏的目的。最后,对瑞利台阶动静环进行单向流固耦合分析,探究了瑞利台阶密封环应力应变规律。通过调入流场分析模块和结构场分析模块,加载压力载荷实现流固耦合信息传递过程,对动静环在不同工况下的应力变形进行计算,结果表明:动静环发生最大变形和最大应力的位置都集中在槽根处,因为浅槽槽根处为产生膜压最大区域,相当于施加了一个集中力载荷。动静环的变形量和应力值大小都随转速和压力的增大而增大,原因是随着压力和转速的增大,流场中气膜最高膜压增大,使得形成的集中力载荷增大。

关键词：干气密封瑞利台阶数值仿真低压抽吸效应流固耦合分析

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