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摘 要：针对传统的螺旋密封密腔内流体流动复杂，传统的数值计算方法难以得到准确的密封能力的问题，采用AutodeskCFD软件建立了螺旋密封的计算流体动力学参数化仿真模型，对网格数量与分析结果的收敛性进行了验证并对螺旋密封的密封能力与压力角、槽宽等几何参数的关系进行了分析。结果表明：螺旋角对密封能力的影响比槽宽更大，减小螺旋角是增强螺旋密封密封能力的更有效的办法;所得结果还可以为后续的对螺旋密封与动力学特性关系的研究提供了仿真依据。

关键词：螺旋密封;计算流体动力学;密封能力

螺旋密封属于非接触式密封，广泛应用于气体或液体的密封装置，具有结构简单、性能稳定可靠、耐高温高压等优点。迷宫密封通过损耗流体动能的方式以增强密封效果，是降低流体泄漏的有效方式。目前国内外学者仍有采用计算雷诺方程的方式计算螺旋密封的密封性能[1]，但此类方法需要进行人工编程，忽略了流体的粘度特性，过程复杂结果且准确率较低。采用CFD软件对流场进行分析是计算泄漏量的有效手段。陈果等[2]以非牛顿流体作为流体介质，对螺旋密封的密封性能进行了分析;刘忠伟等[3]通过对螺旋密封的结构参数进行优化计算，得到了最佳的密封结构参数;GOLUBIEV[4]对螺旋密封的运行工况进行了数值分析，得到了提高密封能力的方法。

本文基于Autodesk CFD软件，建立了不同几何参数的螺旋密封流域模型，并完成相应的材料属性设置、网格划分和边界条件的设置，分析得到了螺旋密封的封液能力与螺旋角和槽宽等几何结构参数的关系。

1 控制方程

流体运动主要遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等物理定律，本文所涉及的流体运动，可由以下控制方程进行描述。

1.1 质量守恒方程

流体微元的质量增量等于单位时间内流入与流出的质量之差，即：

式中：—流体密度;—流体速度向量。

当流体为牛顿流体时，可写作：

1.2 动量守恒方程

单位时间内流体微元的动量的变化率等于流体微元所受外力（如惯性力、粘性力和外部的体积力等）之和，由于流场内部惯性力较小且无其它外力作用，因此，动量方程为：

式中：— ;—粘性系数;—单位张量。

1.3 能量守恒方程

流体微元中总能量的增量等于输入与输出能量之差：

式中：—流体微元储能;—传热系数;—温度;—导热系数。

1.4 泄漏量計算公式

螺旋密封内泄漏流体流动符合质量守恒、动量守恒和能量守恒，因此采用变量 并以下列形式表示[5]：

式中：—通用变量;—广义扩散系数;s—广义源项。

在此基础上，得到螺旋密封理论泄漏量计算公式[6]：

式中：— ; — =1，2，…，n。

2 有限元分析

2.1 螺旋密封结构参数

如图1所示为螺旋密封结构参数，其中 为转子外径，为定子内径， 为密封长度， 为密封槽宽， 为螺旋角。

2.2 有限元设置

在内外压差的作用下，流体介质会沿着密封区域发生泄漏，受到转子的旋转作用产生动压，实际运行过程中受安装精度和表面清洁度等因素的影响。本文将介质流体视为不可压缩的牛顿流体，忽略流体惯性力和外部体积力的作用。材料属性和边界条件的设置如下：流体动力黏度设置为0.028Pa·S;外界压力设置为101325Pa，内部压力为150000Pa;转子的转速设置为500r/min。

螺旋密封间隙尺寸远小于转子直径尺寸和轴向尺寸，而间隙的大小直接决定了螺旋密封的密封性能，因此间隙部位的网格划分十分重要，需要对间隙部位划分足够层数的网格，整体的网格必将达到很大的数目。理论上网格数量越多，分析迭代的结果越精准，但更容易形成长宽比过大的畸形网格，使迭代结果不收敛，且分析的时间成本也会加大。因此为保证分析结果的准确性并降低时间成本，有必要对不同网格数量的模型进行分析，所得结果如图3所示，当网格数量达到50万时，以达到前后误差为1%的设计精度，因此将网格数量设置在55万左右。

2.3 密封结构参数与密封能力的关系

在研究螺旋角对密封的影响时，保持其余参数不变，只改变螺旋角度值，其值分别为：3.03°、1.51°、0.76°和0.38°。得到如图4所示的流速云图与图5所示的压力分布云图。图6为通过仿真得到不同螺旋角时的泄漏量。

在槽宽对密封的影响时，持其余参数不变，只改变槽宽，其值分别为：1mm、2mm、3mm和4mm。得到如图7所示的流速云图与如图8所示压力分布云图。图9为通过仿真得到不同槽宽时的泄漏量。

可见，泄漏量随着螺旋角的增大而增大，随着槽宽的减小而减小。相对于槽宽，螺旋密封的密封能力受螺旋角的影响较大，因此，相对而言，减小螺旋角是增强密封能力的更合适的办法。

3 结论

基于AutodeskCFD软件，建立了螺旋密封的流体动力学仿真模型，完成了网格划分，对网格数量与分析结果的收敛性进行了验证，确立了合适的边界条件设置和材料属性设置，通过分析得到了不同螺旋角和槽宽下的螺旋密封密封能力变化规律，减小螺旋角比增大槽宽更有利于增强密封能力。同时也为后续对螺旋密封结构参数与动力学特性关系的研究提供了仿真依据。

参考文献：

[1]BOONEF.Hydrodynamic seal for rotating shafts[J].Che- mielngenieur-Technik，1959，31（03）：202212.

[2]陈果，宋鹏云.适用于幂律流体螺旋密封封液能力近似解析分析[J].润滑与密封，2017，42（07）：66-71.

[3]刘忠伟，邓英剑，刘少军，明兴祖.螺旋密封封液能力的计算及其优化[J].润滑与密封，2006（08）：132-135.

[4]Golubiev A I.The development of a three-stage screw-type labyrinth seal[C].Proceedings of 4th International Confere- nce on Fluid Sealing，1969.

[5]Versteeg H K，Malalasekera W.An Introduction to compu- tational fluid dynamics：the finite volume method[M].New York：Wily，1995.

[6]朱高涛，刘卫华.迷宫密封泄漏量计算方法的分析[J].润滑与密封，2006（04）：123-126.

作者简介：黄鸿鑫（1995-），男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向：螺旋密封封液能力。