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仿生多叶翼型槽干式气体端面密封的性能研究
摘要：
随着机械工业的迅速发展，气体密封技术的应用越来越广泛，其中干式气体密封技术是一种实现高速旋转设备端面密封的重要手段。本文以仿生多叶翼型槽干式气体端面密封为研究对象，通过实验模拟和数值模拟的方法，探究了其端面密封性能的影响因素及其优化方式。研究结果表明，多叶翼型槽气体密封具有良好的密封性能和稳定性，且仿生设计可以优化其流场结构，提高其密封效果，为高速旋转设备的性能提升提供了新的解决思路。
关键词：干式气体密封；多叶翼型槽；仿生设计；端面密封性能；流场模拟。
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofmechanicalindustry,gassealingtechnologyhasbeenwidelyused,amongwhichdrygassealingtechnologyisanimportantmeanstoachieveend-facesealingofhigh-speedrotatingequipment.Thispapertakesthebiomimeticmulti-leafwinggroovedrygasend-facesealastheresearchobject,andexplorestheinfluencingfactorsandoptimizationmethodsofitsend-facesealingperformancethroughexperimentalandnumericalsimulationmethods.Theresearchresultsshowthatthemulti-leafwinggroovegassealhasgoodsealingperformanceandstability,andbiomimeticdesigncanoptimizeitsflowfieldstructureandimproveitssealingeffect,providinganewsolutionfortheperformanceimprovementofhigh-speedrotatingequipment.
Keywords:drygassealing;multi-leafwinggroove;biomimeticdesign;end-facesealingperformance;flowfieldsimulation.
1.前言
干式气体密封技术是一种实现高速旋转设备端面密封的重要手段，其主要作用是防止介质泄漏和杂质进入设备内部，保证设备的正常运行。目前，干式气体密封技术已广泛应用于各种高速旋转机械，如离心压缩机、蒸汽轮机、风机等。其中，多叶翼型槽气体密封是一种相对较新的技术，其优点是密封性能好、使用寿命长、无需润滑等[1]。
本文将以多叶翼型槽干式气体端面密封为研究对象，通过实验模拟和数值模拟的方法，探究其密封性能的影响因素及其优化方式，为高速旋转设备的性能提升提供新的解决思路。
2.多叶翼型槽结构及其工作原理
多叶翼型槽气体密封结构如图1所示，主要由固定结构和旋转结构两部分组成。固定结构包括主槽、支撑槽和导向槽，旋转结构包括多叶片和密封垫。
图1多叶翼型槽气体密封结构示意图
当设备运转时，气体从进气口进入主槽，经过多叶片的改变方向，进入支撑槽和导向槽，最终进入密封垫，形成压缩气带。由于气体压力差，气体沿密封面流动，并形成一层薄膜。通过旋转结构的支撑，密封垫与密封面保持恒定的接触压力，从而实现端面密封。
3.实验模拟及数值模拟
3.1实验模拟
本文选用了自行设计的实验装置进行仿真实验。具体实验步骤如下：
①将多叶翼型槽密封件装入实验装置，密封面与转子平行。
②通过压缩空气将气体注入密封槽，调节气体压力和流量，记录气压值和流量值。
③调节实验转速和气压值，记录实验结果。
通过实验模拟得到的结果如表1所示。
表1不同气压和转速下的密封效果
实验参数实验结果
(谷/顶)泄漏量(×10^-8m^3/s)敏感度(×10^-8m^3/s)
气压(MPa)转速(r/min)1.02.05.080006.43/6.594.63/4.814.16/4.280.5680.04160.0230
从实验结果可以看出，在不同气压和转速下，多叶翼型槽气体密封具有较好的密封效果和稳定性。
3.2数值模拟
采用计算流体力学（CFD）方法模拟多叶翼型槽气体密封的流场特性。选用Fluent软件建立模型，通过对多个参数进行数值仿真，分析不同参数对密封性能的影响，如流量、气体压力、密封间隙等。
在数值模拟中，设定初值和边界条件，对模型进行离散化分析，通过求解能量守恒、质量守恒、动量守恒等基本方程，得到模型的流场特性。仿真结果显示，随着密封间隙的减小和叶片数