PEEK材料气封圈在压缩机装配中的应用研究
2022-06-26王政凯白德斌马若晨汪昶蕊
王政凯，白德斌，马若晨，汪昶蕊
（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）
随着科技的发展，环境问题日益严峻[1]，天然气等清洁能源在人类日常生活与工业使用中所占比例逐渐增大。但天然气的开采地与使用地往往相距很远，故需要长输管路来进行天然气的运输，在天然气运输的过程中常需要使用离心式压缩机给其补充动力，以便天然气运输的更远[2-3]。
聚醚醚酮（PEEK）是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程材料，其不光在机械制造加工领域使用广泛[4]，在医学领域亦有较好的应用前景。目前PEEK材料在骨科、口腔颌面外科等生物医学领域已有广泛应用[5]。
某型天然气管线压缩机的级间及口圈部位气封圈采用聚醚醚酮（PEEK）材料制成，根据压缩机设计结构及装配工艺综合考虑，该机组转子在轴承最终安装前，需依靠级间气封圈提供支撑，但由于缺乏该材料气封圈的承载能力试验数据，所以实际装配过程中存在转子压坏气封齿的风险。
本文进行PEEK材料气封圈基于Ansys Workbench[6]的数值计算分析[7]和承载试验，来验证该材料气封圈实际承载能力，同时论证该类型气封圈在总装过程中是否可以采用传统压铅方法[8-9]测量底部通流间隙[10]并提出综合解决方法。研究结果可对PEEK材料气封圈在压缩机中的应用提供一些参考。
1 研究方法
1.1 研究对象
本文研究对象选用该型压缩机级间气封圈，如图1所示，气封圈承载的额定载荷为1 200 kg。
图1 气封圈模型图
1.2 数值研究方法
1.2.1 计算模型
设计数值计算模型与承载试验原理相一致，其中数值计算模型包括气封圈和工艺轴两部分，考虑到简化计算模型，工艺轴选取单半，结构如图2所示。
图2 计算模型
1.2.2 网格划分
考虑计算经济性，本文计算对模型划分采用四面体非结构化网格，工艺轴网格尺寸为10 mm，气封圈网格尺寸为3 mm，网格总数为36万，网格划分结果如图3所示。
图3 计算网格
1.2.3 材料属性及计算边界条件
材料属性：气封圈材料为PEEK，工艺轴材料为Q235-B，具体材料属性见表1。
表1 材料性能数据
计算边界条件：施加竖直向下的重力载荷（Standard Earth Gravity），工艺轴中分平面施加竖直向下的力载荷（Force）代表千斤顶施加的力，气封圈外圆表面施加固定约束（Fixed Support）代表底座对气封的支撑。
1.3 工艺承载实验
设计制作的气封圈承载实验装置如图4所示，主要包括气封圈、工艺轴、底座、千斤顶及其固定工装。实验通过千斤顶施加载荷，观察气封圈受压变形情况，记录间隙数据变化情况并与数值模拟结果进行比较分析。
图4 实验装置图
2 结果分析
气封圈额定载荷（M）为1 200 kg，本文计算与试验工况均选择为额定载荷的1.0倍、1.25倍、1.5倍进行。
2.1 数值计算结果分析
数值分析采用Ansys Workbench17.2静力学模块实现。
2.1.1 气封圈应力计算结果
应力计算结果如图5所示，可以看出随着载荷的增加，气封圈的应力不断增大。在1.0倍额定载荷时，最大应力数值为31.07 MPa；1.25倍额定载荷时，最大应力为38.766 MPa；1.5倍额定载荷时，最大应力为46.415 MPa。三种荷载作用时气封圈的最大应力较其材料的屈服强度要小，这说明PEEK材料气封圈在承载过程中可为转子提供支撑，并且其不会被破坏。
图5 计算应力图
2.1.2 气封圈形变计算结果
气封圈的变形选取在竖直的载荷作用方向的变形进行分析，计算结果如图6所示。从结果图中看出，变形的变化与应力变化相一致，均随着载荷的增加而增加。在1.0倍额定载荷时，天地方向的最大形变量为0.284 mm，出现在气封圈底部与工艺轴接触的位置；1.25倍额定载荷时，形变量为0.354 mm；1.5倍额定载荷时，形变量为0.425 mm。
图6 计算形变图
2.2 试验分析
2.2.1 承载试验
对PEEK材料气封圈承载能力进行试验研究，通过测量工艺轴与底座间隙的变化来表征气封圈的形变量。试验过程中分别测量了试验装置前后两侧的间隙值，结果见表2，随着载荷的增加，间隙逐步减小。
表2 试验测量数据
间隙变化变量与数值计算值的对比如图7所示，从图中可以看出试验结果与数值结果吻合较好，验证了数值计算的精度。综上分析，PEEK材料气封圈其承载能力具备在总装过程中为转子提供支撑。
图7 实验与数值计算值对比
2.2.2 底部压铅试验
为了验证传统压铅方法在该型压缩机装配时的适用性，于是进行气封圈底部压铅丝试验，铅丝布置如图8所示。
图8 铅丝布置
根据铅丝布置，计算气封圈理论受力，其中施加的载荷1 200 kg，气封齿宽度0.3 mm，气封齿个数为24，铅丝直径1.5 mm，得出压铅时气封圈所受压力为1 088 MPa，超过其屈服极限，会变形破坏。计算公式如下。
铅丝布置完毕后，施加额定载荷，使气封圈承载，气封圈变化如图9所示，可以发现压铅试验对气封齿造成了局部的缺陷，与理论计算相符。
图9 气封圈变化
对缺陷气封圈进行二次施加额定载荷，结果如图10所示，气封齿出现大面积破裂。这是由于气封圈压铅产生的缺陷破坏了其整体受力结构，从而造成气封齿的破裂。这表明该机组在总装过程中无法使用压铅方法测量底部通流间隙，需要采用其他方法来保证通流间隙。
图10 气封圈二次承载结果
3 结论
本文通过数值计算与工艺试验，研究了PEEK材料气封圈在压缩机总装过程中的应用，得出以下结论。
（1）数值计算与试验结果表明，气封圈承受转子重量时产生的形变处于弹性变形阶段，应力小于材料屈服强度。从而该气封圈具备总装过程中为转子提供临时支撑的能力。
（2）试验证明采用通流测量压铅法会对气封齿造成破坏，在实际总装时需采用其他方法来保证通流间隙。
