干气密封槽型参数的优化及其数值模拟.pdf

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1、第38卷第4期化工机械453干气密封槽型参数的优化及其数值模拟+常小军材1胡伟1丁雪兴1黄义仿2(1．兰州理工大学；2．兰州石化职业技术学院)摘要利用多目标优化方法，构建气膜刚度与泄漏量之比的协调函数，应用maple软件对该目标函数进行近似求解，获得最佳螺旋槽几何参数和密封性能参数。采用cFD软件数值模拟方法，建立流场的几何模型，根据所得进行内平衡计算和密封性能的校核。通过对一个串联式泵用于气密封系统的实例设计．证明可以用该方法进行干气密封系统的优化设计及数值模拟验证。关键词干气密封槽型参数协调优化数值模拟中图分类号TQ05I文献标识码A文章编号0254_6094(2011)04旬

2、453旬4作为一种新式气体润滑的非接触式机械密封，千气密封由于其具有运行无磨损、功耗小、泄漏量小、可实现零泄漏或零逸出等优点，越来越广泛地应用在泵、压缩机、膨胀机及气体透平机等旋转机械中⋯。其中，螺旋槽干气密封足目前最常用的密封形式，然而，在工程实践中，有些螺旋线形的槽并未发挥出它的最大优势，其主要原因是槽型几何参数选择不合理。笔者针对这一问题，通过多目标优化方法，实现了槽型参数的最佳组合旧1。目前，研究干气密封的流动理论及计算方法是国内外学者普遍关注的课题之一，由于雷诺方程的非线性，一般采用有限元法"11及实验测量法¨，1来获得密封槽内气体动压分布及几何参数的优化范围。但以上均未

3、考虑微尺度效应对流动的影响，笔者建立了微尺度理论下的非线性雷诺方程，根据微小尺度流动的特性，引入滑移边界条件，并用PH线性化方法、迭代法对雷诺方程进行了近似求解，获得了比非滑移边界条件时更为精确的气体压力分布的解析解¨⋯，并且应用cFD软件Fluent，采用层流模型对螺旋槽干气密封稳态微尺度流场进行模拟，得到给定工况下的流场数据，所得数据进行密封性能校核满足要求。1槽型参数的协调优化多目标优化问题尽管已有许多求解方法，然而最近十几年来演化算法己逐渐发展成为解决多目标优化问题的理想方法，特别为求解大规模复杂的多目标优化问题提供了有效的研究方法，因而多目标优化问题也已经成为演化算法领域

4、的研究热点。多目标问题一般表示形式为：多目标问题的求解首要环节是在决策空间中寻求一个最优解集。在这个解集中，一个目标性能的改善是以另一个目标性能的降低为代价的。故使多个目标同时达到最优值是不可能的，而只能是在它们中进行协调权衡，使得各个目标函数尽可能地都达到近似最优⋯】。多目标协调函数刚漏比的解析式中气膜推力为：F=21rJ^：甲dr(1)无量纲化后得：，=∥1r尺．2p．=2J．妇df(2)径向流量为：Q=心础。出=一半嚣(3)无量纲泄漏量为：‰=Q譬=一半(现。㈩由此可知刚漏比为：·甘肃省自然科学基金资助项目(3zS06l—A25一051)和甘肃省教育技术基金资助项目(0915

5、一01)。··常小军，男，1976年10月生，工程师。甘肃省兰州市，730050。454化T机械20】1年r音川z』黼”‰“(乳，㈥无量纲气膜压力为”“：P2廿2／，，：I+叩(叶Ilf，cos甜+可2cfJsIn∞)／Ⅳ一—；俄矿仉。f．(如一f)(6)‰l=c。e历‘+“e。历‘+(c。e何‘+c’。e’厢‘+jj。历t一』与。‘历‰(7)2√且z、／卢-‰，=c。e历‘+c。，e历‘+(c2．e何‘+吒e历‘+去e巾一去e加一》㈩氨泵密封参数如下：内径月．36．2mm外径R。565mm介质压力(外压)p。30．02MPa环境压力(内压)p．0．10l3MPa螺旋槽数n12转速

6、n，7500r／min槽深2E4密封气体氮气(牯度弘=1．7×10。Pa·s)介质液氨(粘度弘=O．1Pa-s，温度0～39qc)通过利用maple软件中龙格一库塔法进行近似计算⋯1“1，获得了刚漏比r与螺旋角a．槽深比"的三维关系曲面(图1)。为了精确获得其最佳值，又分别求出了刚漏比与螺旋角、刚漏比与槽深比的二维关系图(图2、3)。从图2、3中可看出，刚漏比具有峰值，且最大值应在∞=O．2—0．4，n=1．29～1．3l的范围内。宝×莹蔫图1r与n、w的三维关系曲面二=x兰善图2r与竹的二维关系3II29I27I2S蟓雠杆i口图3r与a的二维关系优化结果从图l～3中可知，刚漏比最

7、大时，最佳螺旋角d。。．=1．2986，弧度制为74。24’13”；最佳槽深比"，·=o3。由_2F舞得密封间隙(气膜厚度)6=4667“m。取外径齿径比为1．189，得齿释R．=30．577mm，计算可得槽宽、坝宽之和为之学=警=半半翊．sesmm，取槽宽、坝宽比为0．6(一般这个比值在0．4～l0范围内时性能变化不大)，则坝宽为18．48mm，槽宽为11．07mm．，确定这些基本参数后．参考机械密封设汁准则对密封系统进行经验设计，以确定其它结构尺寸．为数值模拟建立