基于CFD正交试验的螺旋槽干气密封性能仿真研究

　　基于CFD 数值仿真结合单因素试验和正交试验，研究螺旋角、槽深、槽数、槽宽比和槽长坝长比对螺旋槽干气密封性能的影响。单因素试验揭示开启力和泄漏量随各参数的变化规律，并为正交试验因素水平合理选择提供依据。由正交试验得到分别以开启力、气膜刚度和刚漏比为目标函数的最优端面结构。由极差分析得到各结构参数对密封性能影响的主次顺序，槽长坝长比是影响开启力和泄漏量的最主要因素，而气膜刚度和刚漏比主要由槽深和螺旋角决定。

1、前言

　　干气密封指依靠几微米气体薄膜润滑的机械密封，实现“以气封气”，其突出优点有: 密封端面非接触、磨损小、寿命长、可靠性高。干气密封已被用于压缩机、泵、反应釜等大中型旋转机械的轴端密封。

　　研究发现，动环端面结构是影响干气密封性能的主要因素。螺旋槽干气密封端面结构参数主要包括: 螺旋角α、槽深H、槽数N、槽宽比ω 和槽长坝长比γ。端面结构参数对干气密封性能影响的现行研究方法主要是单因素实验法，即一次只改变一种结构参数，其他参数保持不变。单因素实验能很好地反映特定工况下干气密封性能随单个端面结构参数的变化规律。在真空技术网(www.chvacuum.com)以往发布的文章中有利用单因素试验分析了单个端面结构参数对干气密封性能的影响规律。单因素试验方法最大局限就是，要综合考查各端面结构参数对干气密封性能的影响，需进行大规模试验，成本过高。但是，螺旋槽干气密封性能是由端面结构参数综合决定。因此，有必要设计正交试验综合考察端面结构参数对密封性能的影响。

　　在工程设计或科学研究中，常需同时考虑3个及其以上的因素，若进行全面试验，则试验规模很大，难以实施。正交试验法实施多因素试验，是寻求最优水平组合的一种高效试验方法，其优点在于: 数据点分布均匀; 所需试验次数少，即可达试验要求; 可对试验结果数据进行极差分析、方差分析、回归分析等，引出有价值的科学规律。基于CFD 数值仿真方法，首先进行单因素仿真实验，研究开启力和泄漏量随螺旋角α、槽深H、槽数N、槽宽比ω 和槽长坝长比γ 的变化规律，并为正交仿真试验因素水平范围合理设定提供依据; 然后根据单因素仿真试验结论设计正交仿真试验，找到不同目标函数的最佳端面结构参数组合，并对试验结果作极差分析，确定各结构参数对密封性能影响的主次顺序。

2、螺旋槽干气密封结构参数和性能参数

　　2.1、螺旋槽干气密封端面结构参数

　　图1 为螺旋槽干气密封动环端面结构示意，螺旋线满足对数螺旋线方程，在柱坐标中表示为:

图1 螺旋槽干气密封动环端面结构

6、结论

　　(1) 单因素实验揭示开启力和泄漏量分别随螺旋角α、槽深H、槽数N、槽宽比ω 和槽长坝长比γ 的变化规律，该密封在下述结构参数范围内可得到较大开启力和较小泄漏量: 槽深H = 7μm～ 9μm，槽数N = 12 ～ 16，螺旋角α = 12° ～ 18°，槽宽比ω = 0. 5 ～ 0. 6，槽长坝长比γ = 0. 55 ～ 0. 70;

　　(2) 由正交试验可知: 开启力、泄漏量、气膜刚度和刚漏比最优的端面结构参数组合不同。因此，干气密封设计时，应根据设计目标需要，选择合适的端面结构参数组合;

　　(3) 通过对正交试验结果作极差分析，得到动环端面结构参数对密封性能影响的主次顺序。结果表明，槽长坝长比是影响开启力和泄漏量的最主要因素，而气膜刚度和刚漏比主要由槽深和螺旋角决定。