增压泵换向滑阀间隙密封仿真研究.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1期 流体机械 l 7 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 0 1 1 0 0 1 7 0 4 增压泵换 向滑 阀问隙密封仿真研究 常玉连 ， 李振海 ， 高胜 ， 李亮 ， 任福深 大 庆石 油学院 ， 黑龙 江大庆1 6 3 3 1 8 摘要 以 C F D软件 F L U E N T为基本工具 ， 应用有限体积法对流场进行数值模拟， 采用 S S T k一‘ | 模型和 S I M P L E算法， 对 间隙密封 内部流场进行 了数值模拟 。得 出了间隙大小 、 槽 深 、 槽宽 、 槽数对间隙密封流场和泄漏量 的影 响 ， 研究 成果具 有一定的实际价值。结果表明 间隙越小， 泄漏量越小 ， 关系呈线性； 密封槽数增加， 泄漏量线性减小； 槽宽增大， 泄漏量 近似线性增 大 ； 槽宽 0 ． 5 m m时 ， 槽 深增 加 ， 泄漏量减小 ； 槽宽大 于 0 ． 5 m m时 ， 若槽深 宽 比小 于 1 ． 5 ， 泄漏 量增大 ， 大于 1 ． 5 时泄漏量减 小。 关键词 增压泵 ； F L U E N T； 换 向阀； 间隙密封 ； S S T 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 1 1 ． 0 0 5 Si m u l a t i o n S t u dy o n t he Cl e a r a nc e S e a l o f t h e Di r e c t i o n al Sl i d e Va l v e o f Bo o s t e r Pum p CHANG Yu l i a n， LI Zhe n ha i ， GAO S h e ng， LI Li a ng， REN Fu s h e n D a q i n g P e t r o l e u m I n s t i t u t e ， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t F l u e n t ，wh i c h i s o n e o f t h e mo s t p o p u l a r s o f t wa r e i n Co mp u t a t i o n a l F l u i d Dy n a mi c s ，i s u s e d a s t h e ma i n t o o l o f n o me r i c a l s i mu l a t i o n ．T h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f c l e a r a n c e s e a l w a s c a r r i e d o u t b y t h e f i n i t e v o l u me me t h o d F VM， S S T k一 | t u r b u l e n t mo d e l a n d S I MP L E a l g o r i t h m． T h e e f f e c t s o f t h e c l e a r a n c e s i z e ， g r o o v e w i d t h ， gro o v e d e p t h， a n d g r o o v e n u mb e r t o t h e c l e a r a nc e s e a l flo w f i e l d a n d l e a k a g e a r e c o n c l u de d．The r e s e a r c h r e s ul t s ha v e c e r t a i n a c t u a l va l u e Th e r e s ul t s i n di c a t e d t h a t t h e l e a k a g e o f c l e a r a n c e s e a l c h a n g e s w i t h t h e m a g n i t u d e o f t h e c l e a r a n c e l i n e a r y ； T h e l e a k a g e w i l l r e d u c e l i n e a r l y w h e n t h e g r o o v e nu mb e r i nc r e a s e ． Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n g r o o v e wi dt h a nd t he l e a k a g e i s a p p r o x i ma t e l i n e a r ； The l e ak a g e wi l l r e d uc e by t h e gro o v e d e pt h i n c r e a s i n g wh e n t he gro o v e wi dt h i s 0． 5mm； Th e l e a ka g e wi l l i nc r e a s e wh e n t h e g r o o v e wi d t h i s 0． 5mm a n d t h e gro o v e d e pt hwi d t h r a t i o l e s s t ha n 1 ． 5； Bu t t h e l e a k a g e wi l l r e d u c e whe n t he gro o v e wi d t h i s 0． 5mm a nd t he g r o o v e d e pt h wi d t h r a t i o mo r e t h a n 】 5． Ke y wo r ds bo o s t e r pu mp； FL UENT； d i r e c t i o na l v a l v e； c l e a r a nc e s e a l ； S S T 1 前 言 间隙密封是利用密封零件 之间的径 向微小 间 隙及该间隙在轴向的一定长度来实现 的一种密封 形式⋯。本文研究增压泵换 向阀阀体和 阀芯之 问 的缝隙 ， 目的是为了通过改变 阀芯结构 ， 使 同等边 界条件下 ， 通过阀体与阀芯之间的间隙流量变小。 间隙密封具有结构简单 、 寿命长 、 适应于恶 劣工作 环境 、 易于维护 、 提高设备工作效率等优点。 不同结构形式的间隙密封 的密封效果 明显不 同。经试验证实 ， 收敛型的泄漏速率最少 ， 平直型 收稿 日期 2 0 1 0一 叭 一 3 O 修稿 日期 2 0 1 00 2 0 3 次之 ， 扩散型 但动力稳定性较好 最大 。直通型 间隙密封相对于交错和对齿型制造容易、 成本低 、 在组装方面有许多优点。由于换 向阀阀体和阀芯 之间的缝隙是规则 的环形 圆筒 ， 所 以采用直通 型。 间隙密封的研究重点是减少泄漏 ， 提高运行稳定 性和延长使用寿命。然 而 ， 如何对其泄漏量进行 计算 ， 进而对其结构进行合理设计 ， 至今仍是人们 关注 的 问题 。 目前 具 有 代 表 性 的计 算 公 式 为 S t o d a l a 公 式 2 2 G ， o o 1 l 8 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 1 1， 2 01 0 式中C 流量系数 ／ 4 密封间隙面积， m P 。 、 P 进 、 出 口压 力 ， P a 进 口工 质密度 ， k a m 式 1 只适用于齿数相当多 大于 4 情况下 ， 且不能反映密封内部流动情况及影响间隙密封性 能的机 理 ] 。影响间 隙泄露 因素较多且相互 关 联 ， 同时使研究结果相互 间差异很大。而 阀芯与 阀体之 间间隙一般在 0 ． 0 4 m m 以下， 这都为研究 带来难度。虽然问隙越小 ， 密封效果越好 ， 但是间 隙不能无限小下去 ， 所 以还需考虑其它方式来进 一 步达到使密封效果更好 的目的。本文采用在阀 芯上挖出若干环形槽的方法 ， 使流动产生湍流， 增 大水头损失 ， 从 而减小泄露量。本 文利用 F l u e n t 软件 ， 对影响间隙密封 的主要 因素进行分析 和总 结 。 2 计算模型 本文研究的增压泵换向滑阀间隙密封的间隙 小于 0 ． 0 4 mm， 导致流动受固壁作用力 以及水粘性 力的影响较大 ， 流速分布梯度很 大 ； 雷诺数 也很 小， 不足 2 0 0 0 ； 将滑 阀阀芯增加增阻槽之后 ， 导致 流动出现涡旋。因此， 流动成为拥有大梯度速度 分布的低雷诺数湍流。 经典的标准 k一￡ 模型 、 R N G k一￡ 模型和 R e a l i z e d k一8模型只适用于高雷诺数 、 完全湍流 忽 略粘性作用 情况 ， 虽然也有针对低雷诺数的 k e 模型 ， 但是 目前还不太成熟 F L U E N T中的隐藏 模型 ， 经计算使用无法收敛。而 S S T k一‘ I 模 型 通过适当修正湍流模型， 弥补了 k s模型不能 处理低雷诺数问题 的不足 ， 可用于计算近壁 区的 粘性内层 ， 精确模拟边界层的现象 j 。 S S T k一 I 两方程 模 型 ] 0 p k u i a ， r G k y k S 2 十 。 蠹 券 G 一 D S 3 有效扩散系数 ， k 1 t ■ 瓦 I l l , I X L ’ J a 1 式中s 应变率 、o r 对应 k和 1 的湍流普朗特数 湍流粘度 其中 O l 1 1 可 1 可 F t a n h F 2 t a n h mi n ， ， _ 4 p k ] 。 ⋯ [ 1 1 O k O co ,1 0 - l ] ⋯[ 2 O ． o J y ， ] 公式中各相关参 数具体值可查 阅参考文献 『 4] 3 仿真计算 换向滑阀间隙几何模型如图 1 所示。间隙右 侧腔为高压 区， 左侧腔为低压 区。阀芯与环形 内 壁间隙0 ． 0 4 mm， 无接触 ， 这样简化利于研究槽 对 减小泄漏量的的影 响， 得到的结论对其它研究 也 具帮助价值 ， 有同时利于画 网格， 加快收敛速度。 槽宽 、 深均为 1 m il l ， 无斜角， 因为尺寸也很小 ， 所 以 这样增加的槽利于加工。 图 1 间隙示意 由于问隙非常狭窄 ， 间隙为 0 ． 0 4 m m， 为了提 高仿 真精度 ， 减小离散误差 ， 本文取整个环形间 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 流体机械 1 9 隙的 1 ／ 3 2进行三维仿真 ， 于是未增加槽 前 ， 所仿 真几 何 模 型 为 一个 长 4 0 m m， 宽 为 一 段 弧 长 约 5 ． 4 5 4 m m的圆弧 ， 高为 0 ． 0 4 m m 的近似于一个很 扁的长方体 图形 。计算 比较发现 ， 所选 取 图形 的 泄漏量几乎恰好是整体 泄漏量 的 1 ／ 3 2 ， 说 明此种 几何模型的选取具有科学性。 3 ． 1 压 差 与泄 漏量 关 系 未增加槽 以前 ， 研 究给定 的初始人 口压力与 出 口压力所产生的压差对泄露量 的影 响结果 ， 如 表 1所示 。 表 1 压差 与泄漏量关 系 人 口压力 出 口压力 质量流量 MP a MP a k g ／ s 1 6 1 0 0． 0 03 98 7 62 25 1 6 1 1 0． 0 03 35 21 5 5 4 1 6 1 2 0． 0 02 7 05 8 70 3 1 6 1 3 0 ． 0 0 2 0 4 8 1 9 3 3 1 6 1 4 O． o 01 3 78 48 91 l 6 1 5 0． 0 o 06 96 O 42 8 1 5 1 0 0． 0 0 33 521 54 2 1 5 1 1 0． 00 27 0 58 7O 0 1 5 1 2 0． 0 0 20 481 92 8 1 5 1 3 0． 0 01 3 78 4 88 8 1 5 1 4 0． O 0 06 9 6O 42 8 表 1表明 间隙流量与人 出 口压差 呈线性关 系 ， 这恰与伯努利方程 吻合 。所 以研究 间隙泄漏 量只需给定一组初始 压力边界条件即可 ， 以下研 究均是在人 口压力 为 1 6 MP a ， 出 口压力 为 I O MP a 的边界条件下进行的。 3 ． 2间 隙对 泄漏 量的影 响 间隙对泄漏量的影响如图 2所示 。 一 嬉 蒸 1 日 J I祭 觅 度 mm 图 2间隙大小 与泄漏关系 从图 2可看 出 泄漏量随 问隙增 大而线性增 大 。 3 ． 3 槽 对 泄漏量 的影 响 在4 0 m m长的 阀芯上挖 出2 J i ,- 环形槽 ， 槽 宽l m m， 槽 深1 m m分别居于距左右两端2 mm处 经计 算 ， 当间隙小于0 ． 0 4 mm时 ， 只要 两槽 问距超 过2 m m， 槽之间的相对位置对泄漏量产生的影响可忽 略 。 经计算 ， 改变结构后的总泄漏量为0 ． 0 8 8 5 6 1 6 7 k g ／ s ， 与未改变结构前泄漏量 0 ． 1 2 7 8 2 5 3 k g ／ s 相 比 降低 了。 本文研究 的间隙大小为 0 ． 0 4 mm， 而间隙的长 度也只有 4 0 ra m， 所 以增加 的槽 的尺寸不 能太大 ， 因 此 ， 接下来研究 主要采用 的槽 宽 、 深均为0 ． 5 mm 、 1 mm 、 1 ． 5mm 、 2ram。 3 ． 3 ． 1 槽宽对泄漏的影响 槽 数 固定 2 个 ， 槽 深 相对 固定 分 别 取 0 ． 5 m m、 1 m m、 1 ． 5 m m、 2 m m 。槽宽与泄露 的关系 如 图 3所示 。 2． 8 5 磐2 8 0 2 ． 7 5 槽宽 n l lT 1 a 槽 深均 为 0 ． 5 m m 槽 宽 mm b 槽深均为 l mm 槽 宽 mm C 槽 深均为 1 ． 5 m m 槽宽 一n m d 槽深均为 2 m m 图 3 槽宽与 泄漏 量关 系 如图 3所示 ， 槽宽增加相当于局部间隙增大， 导致泄漏量递增 ， 而且几乎是线性递增。 8 8 7 2 2 2 一 s ／ 磐莛 8 8 7 2 2 2 一 芒 嘿 8 8 7 2 2， 一 一 s ／ 跚磐荽 2 0 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 38， No ． 1 1， 2 01 0 3 ． 3 ． 2 槽深对泄漏的影响 槽数 固定 2个 ， 槽宽相对 固定。槽 深与泄 漏量的关系如图4所示。 2 ． 7 6 一 弼2 ．7 6 蓬 莛 2 7 6 2 7 8 2． 7 8 莲 2． 7 8 专 2 ． 8 3 羹2 ．8 2 2． 8l 2． 8 6 孽 2 ． 8 6 蠛 跫 2． 85 槽 深 1 ll l n a 槽宽 0 ． 5 m m 槽深 1 I l l l l ， b 槽宽 1 m m 漕深 mi l 1 C 槽宽 1 ． 5 ra m 槽 深 In II 1 d 槽 宽 2 m m 图 4 槽深与泄漏量关系 图4 中4 组 曲线显示 槽 宽很狭小 时 ， 即0 ． 5 m m时 ， 随着槽深增加泄漏量逐渐减小， 此时利 于 问隙密封； 但 当槽宽增至 1 m m时， 随着槽深从0 ． 5 m m增至 I ． 5 mm范围内， 利于泄漏 ， 间隙在 1 ． 5 m m 到 2 m m， 泄漏量降低 ， 利于密封 ； 当槽宽为 1 ． 5 mm 和 2 m m 时 ， 随着 槽深 的增加 ， 从 0 ． 5 m m 至 2 mm泄 漏量增加 ， 且趋于缓 和。分析及结论 槽 宽为0 ． 5 m m时， 随着槽深由 0 ． 5 m m逐渐增大 ， 泄漏量逐渐 减小； 当槽宽为 1 m m、 1 ． 5 mm、 2 mm时 ， 若槽深与槽 宽之 比小于 1 ． 5 ， 泄漏量增大 ， 并趋于缓和， 继续单 一 的增加槽深对增大湍流帮助不大。当深宽比大 于 1 ． 5时， 易产生湍流， 泄漏量减小 。 3 ． 3 ． 3 槽数与泄漏量关系 在槽 宽 固定 0 ． 5 ra m ， 槽深 相对 固定 0 ． 5 m m， 1 m m 情况下研究槽 的数量与泄漏量关系， 结 果如图5所示。 槽数 个 a 槽宽 0 ． 5 mm， 槽 深 1 m m 槽数 个 b 槽宽 0 ． 5 mm， 槽深 0 ． 5 mm 图 5 槽数与泄漏量关系 图 5表明 泄漏量随槽数增加线性递减。 4结语 通过对换向阀几何结构 的合理假设 ， 采用适 合实际工况 S S T k一‘ 1 数学模型 ， 并利用 F L U E N T 软件很好地再现了改变阀芯结构后的三维增阻效 果。并通过对大量的仿真数据的系统分析 ， 得 出 了间隙大小 、 槽宽 、 槽深以及槽数与间隙泄漏量 的 关 系 。 为了提高模拟精度 、 减小计算量并得到具体 泄漏量数值， 本文只针对换 向滑阀的一部分对称 结构进行 了三维仿真分析 ， 难免会带来一些误差。 以后 的研究可尽量用高配计算机或机群对换 向滑 阀进行完整仿真。虽然本文给出了很多具有现实 意义的结论 ， 并可用于指导实践 ， 但是本文没有给 出槽尺寸与泄漏量关 系的的统一数值表达式 ， 还 需在这方面进行深人 的研究。 下转 第 5 8页 8 7 7 2 ， 一 2 一 { 秽溪趣 2 2 ， - 一 之 磐 5 8 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ．1 1， 2 01 0 统稳定运行 。 摹 一 毫 蜊 8 ． O0 4 ． 0 0 0 1 0 0 8 00 1 6 0 0 时l词 s 性振荡。 参考 文献 [ 1 ] [ 2 ] 图 6 压缩机频率增大时蒸发器过热度变化 [ 3 ] 图7 压缩机频率减小时蒸发器过热度变化 5 结论 1 蒸发器完全蒸干点在蒸发器出 口处随机 振荡造成制冷循环参数随机性波动 ， 而完全蒸干 点随机振荡的这种特性又是由制冷剂气液两相流 交替所引起的， 且完全蒸干点处于蒸发器出 口时 有最大制冷量； 2 最小稳定 过热度是蒸发 器的固有特性 ， 由制冷剂与水之间的传热温差所决定， 与膨胀阀 及其过热度控制回路无关 ； 3 压缩机变频运行 ， 尤其是频率增大时 ， 最 小稳定过热度严重影响系统运行的稳定性。过热 度设置过低， 制冷循环参数将 由稳定转变为周期 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Za hn W R． A Vi s u a l St u dy o f TwoPh a s e Fl o w W h i l e E v a p o r a t i n g i n H o ri z o n t a l T u b e s[ J ] ． A S ME p a p e r ， 1 96 3． 6 3一 W A一 1 66． We d e ki n d G L， S t o e k e r W E． Tr a n s i e n t Re s p o n s e o f t h e Mi x t u r e Va po r Tr a n s i t i o n Po i n t I n Ho riz o n t a l Ev a p o - r a t i n g F l o w[ J ] ． A S H R A E T r a n s a c t i o n s ， 1 9 6 6 ， 7 3 r d ， 7 2， p a r t I ． Hu e l l e Z R．Ne w p o i n t s o f v i e w o n e v a p o r a t o r l i qu i d s u p p l y c o n t r o l b y t h e r m o s t a t i c e x p a n s i o n V a l v e s [ J ] ． D an f o s s J o u r n a l 6 8 ． Hu e l l e Z R． Th e MS S Li n ea Ne w Ap p r o a c h t o Hu n t i n g P r o b l e m[ J ] ． A S HR A E J o u r n a l ， 1 9 7 2 ， 1 0 4 3 4 6． Hu e l l e Z R．He a t Lo a d I n f l u e n c e s u p o n Ev a po r a t o r Pa r a m e t e [ A] ． Ⅻ I n t e r n a t io n a l C o n g r e s s o f R e f ri g e r a t i o n Me e t i n g [ C ] ． Ma d ri d ， 1 9 6 7 ， 3 3 2 9 8 5 9 9 9 ． C h e n W ， C h e n Z h i j i u，Z h u Ru i q i ，e t a 1 ．E x p e ri me n t a l I n v e s t i g a t i o n o f a Mi n i mu m S t a b l e Su p e r h e a t C0 n t r o l S y s t e m o f a n E v a p o r a t o r [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R e f r i g e r a t i o n ， 2 0 0 2 ， ．2 5 1 1 3 7 1 1 4 2 ． 田长青 ， 窦春 鹏 ， 杨 新 江 ， 等． 制冷 系 统 的稳 定 性 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 2 ， 3 0 4 4 4 47 ． 陶宏， 陶乐仁， 郑志臬， 等． 蒸发器出口状态热式测 量的实验研究[ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 9 ， 1 1 1 2 2 1 2 4． Yi mi n g Ch e n，S hi mi n g De n g，Xi a n g g u o Xu， e t a 1 ．A s t ud y o n t h e o pe r a t i o n a l s t a b i l i t y o f a r e f rig e r a t i o n s y s t e rn h a v i n g a v a ri a b l e s p e e d c o m p r e s s o r [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f R e f ri g e r a t i o n ， 2 0 0 8 3 1 1 3 6 8 1 3 7 4 ． 作者简介 杨志强 1 9 8 4 - ， 男 ， 在读硕士 研究生 ， 主要从事 热泵 、 空调仿真优化 的研究 ， 通 讯地址 2 0 0 0 9 3上海市杨 浦区军 工路 5 1 6号上海理工大学 8号邮箱 。 上接 第 2 0页 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 陈曦， 武卫东， 周志刚， 等． 自由活塞斯特林制冷机间 隙密封技术研究 [ J ] ． 低温与超导 ， 2 0 0 8 ， 3 6 5 6 - 8 ． 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 ， 2 0 0 6 ， 4 1 2 3 1 2 4 ． Me n t e r F R ． Mu h i s c a l e Mo d e l f o r T u r b u l e n t F l o w s [ A] ． 2 4t h F l u i d Dy n a mi c s Co n f e r e n e e． Ame r i c a n I ns t i t u t e o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s [ C] ． 1 9 9 3 ． [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] F L U E N T 1 2 ． 0 U s e r g G u i d e [ Z ] ． 江帆． F l u e n t 高级应用与实例分析 [ M] ． 北京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． 1 45 ． 于勇． F L U E N T入门与进阶教程[ M] ． 北京 北京理 工大学出版社， 2 0 0 8 ． 1 0 1 6 0 ． 作者简介 常玉连 1 9 5 1 一 ， 男 ， 教授 、 博士生导师， 长期从事石 油机械工程的教学和科研工作 ， 主要工作领 域是石油钻采设备 的 设计理论及工作理论 ， 通讯地址 1 6 3 3 1 8黑 龙江大 庆市大庆石 油 学 院机械仿真与控制实验室。