液气比对油气两相动压端面密封性能影响

祁惠珍，赵芳，王红玉，冯静，韦小兵

工艺与装备

液气比对油气两相动压端面密封性能影响

祁惠珍，赵芳，王红玉，冯静，韦小兵

（兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060）

针对一定液气比（0.1～0.3）下油气两相动压密封，利用几何软件建模并划分结构化网格，将计算域导入Fluent计算，分析液气比对密封性能的影响。结果表明：液气比越高，端面流体的动压效应越强，动压密封的气体泄漏量随着液气比的增大而降低，液体泄漏量随着液气比的增大而增大，开启力和流体膜刚度都随着液气比的增大而增大。

油气两相；液气比；动压密封性能

目前，国外已经研究出应用于航空发动机高速轴承腔两相混合润滑下的非接触动压密封[1]。国内对纯气膜和液膜的动压密封比较成熟[2-7]。在气液两相动压密封方面，李小芬[8]等分析了液气比对密封性能的影响，结果表明，在相同的膜厚下，液滴增强了端面流体动压效应，端面密封间隙、摩擦功耗和质量泄漏率随液气比的增加而增加，体积泄漏率随液气比的增加而减少，刚度随液气比的增加先增加后降低，存在最大值。李欢[9]等分析密封性能参数随两相密封动压槽结构参数的变化，结果表明，在恒定转速、压差和闭合力条件下，通过调整各结构参数均可获得最大工作膜厚，流体膜刚度随着螺旋角和槽深的增大而减小，气体泄漏率和液体泄漏率随密封槽结构参数变化规律相同，且变化规律与工作膜厚相同。

本文通过Fluent对油气两相动压密封性能进行分析，研究液气比对密封性能的影响，为气液混合润滑密封提供理论依据。

1 油气两相动密封工作原理

动压密封采用动环端面外侧开槽的密封结构，密封运转时，高压介质从外侧进入密封端面动压槽区，如图1所示。进入槽区的介质由于螺旋槽的存在随着螺旋槽一起旋转。当流体运动到螺旋槽根部时，由于存在阶梯效应，产生高压区，密封端面开启，形成动压密封。

式中：g—槽根半径，mm；

—螺旋线转角；

—螺旋角。

图1 动压密封原理

密封参数1所示，气膜厚度为3 μm。

表1 密封参数

2 网格划分及边界条件

2.1 网格划分

在ICEM中检查网格质量，最后输出网格导入Fluent计算。网格结果如图2所示。

2.2 边界条件

模型的边界条件如图3所示，其中Top-surface为螺旋槽旋转壁面，Bottom-surface为静止壁面，A1、A2、B1、B2分别为周期边界，即压力的周期性边界条件：

式中：Ng为动压槽个数。

3 计算结果及分析

3.1 密封端面压力场分布

计算得到不同液气比下的压力场分布如图4所示。

由图4可以看出，端面间隙气液两相流体都产生了明显的动压效应，其中最大压力值出现在螺旋槽根部处。液气比越高，端面流体的压力值越大，端面流体的动压效应越强。

图4 密封端面压力场分布

3.2 密封端面体积分数分布

对于油气两相动压密封，端面上两相的分布状态对密封性能有重大影响。分析在相同参数下，密封端面两相的体积分数如图5所示。

由图5可以看出，液体在密封端面分区域分布，在螺旋槽根部区域附近的液体含量最高，主要是由于液体比气体的黏度高，容易泵入到较窄的根部区域，并且由于螺旋槽根部密封坝的阻碍作用使液体在螺旋槽根部区域聚集，这与文献[10]所得出的结论一致。

图5 密封端面两相分布

3.3 液气比对动压密封性能的影响

由图6（a）泄漏量随液气比的变化可以看出，动压密封的气体泄漏量随着液气比的增大而降低，这是由于液体在螺旋槽根部区域聚集对气体运动起到阻碍作用，液气比越大，阻碍作用越强，气体泄露量越低。液体泄漏量随着液气比的增大而增大，基本呈线性变化，这是由于液气比增加，端面的液体含量增大，泄漏到内径侧的液体量增大。

由图6（b）开启力随液气比的变化可以看出，开启力随着液气比的增大而增大，主要是由于随着液气比的增加，端面流场压力增大。

由图6（c）流体膜刚度随液气比的变化可以看出，流体膜刚度随着液气比的增大而增大，主要是由于液气比越高，端面流场压力越大，动压效应越强。

图6 液气比对动压密封性能的影响

4 结 论

1）液气比越高，端面流体的压力值越大，端面流体的动压效应越强。

2）动压密封的气体泄漏量随着液气比的增大而降低，液体泄漏量随着液气比的增大而增大，开启力随着液气比的增大而增大，流体膜刚度随着液气比的增大而增大。

［1］胡广阳. 航空发动机密封技术应用研究[J].航空发动机，2012，38（3）：1-4.

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［10］李小芬.高速气液两相动压式密封性能研究[D].北京：北京化工大学，2016.

Effect of Liquid-Gas Ratio on the Sealing Performance of Oil-Gas Two-phase Dynamic Pressure End Face

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（Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology, Lanzhou Gansu 730060, China）

For a certain liquid-gas ratio (0.1～0.3) under two phase of oil and gas dynamic pressure seal, the model was created using geometric software,and the structured grid was divided. Then computational domain was calculated by Fluent. The effect of liquid-gas ratio on the sealing performance was analyzed. The results showed that, the higher the liquid-gas ratio,the stronger the dynamic pressure effect of end-face fluid, the gas leakage of dynamic pressure sealing reduced with the increasing of liquid-gas ratio,the liquid leakage increased with the increasing of liquid-gas ratio, the opening force and fluid film stiffness increased with the increasing of liquid-gas ratio.

Oil-gas two-phase; Liquid-gas ratio; Dynamic pressure sealing performance

2020年甘肃省大学生创新创业训练计划项目，油气两相流端面密封性能研究（项目编号：S202010838017）。

2020-12-18

祁惠珍（1998-），女，甘肃省兰州市人，兰州石化职业技术学院石油化工生产技术专业在校学生。

赵芳（1983-），女，回族，讲师，硕士研究生，研究方向：流体密封技术。

TQ051

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1004-0935（2021）06-0792-04