CN115481506A - 基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构 - Google Patents

基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构 Download PDF

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Abstract

本发明属机械密封技术领域，特别涉及一种基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构。由分析解析式在excel中输入摆线迷宫密封齿型的坐标值，将excel的坐标值导入CAD软件应用平台后绘制得出二维摆线迷宫密封齿形；在活塞上采用摆线迷宫密封齿形动圆半径：A=0.7mm；气缸壁与活塞之间的间隙δ=0.8Mm，齿间距为1mm；在气缸壁上采用摆线迷宫密封齿形特征：动圆半径a=0.25mm，齿间距为0.25mm。二维摆线迷宫密封齿形通过将.sat文件导入Workbench软件mesh模块进行网格划分得出。本发明密封效果好，在密封区域耗散所密封介质能量的能力强，成品率高。

Description

基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构
技术领域
本发明属机械密封技术领域，特别涉及一种基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构。
背景技术
往复式迷宫压缩机工作时排气温度高、压力大,其气缸体与活塞体均承受较高的热载荷与较大的机械载荷,过高的热载荷和过大的机械载荷会对压缩机气缸体及活塞体产生不利影响,进而影响压缩机工作稳定性及运行寿命。迷宫密封因结构简单、使用方便、工作可靠等特性被广泛用于往复式压缩机、鼓风机和汽轮机等动力机械中。减少泄漏量的关键在于工作介质的能量在迷宫内部充分耗散，由齿形结构所决定，目前采用的传统形式迷宫密封齿形无论如何改变齿形角度、齿形深度以及间隙宽度，其所密封的工作介质能量耗散程度都没有发生质的变化，在工程实际中往往是增加100％的成本投入来换取3～12％的密封效果。虽然仿梯形齿迷宫密封结构从根本上改变了工作介质在迷宫密封齿中能量耗散效果，比传统形式的迷宫密封效率提高60％以上，但由于仿梯形齿是经验设计结构，无齿形理论成型依据，这样对于任何一种规格的迷宫压缩机，需要对所采用仿梯形齿迷宫密封结构的活塞、缸体以及活塞杆进行大量迷宫效果试验，所以在迷宫压缩机中采用仿梯形齿迷宫密封结构会增加大量的成本，同时会产生大量的试验废品。中国专利CN107654354B披露了一种摆线轴向迷宫密封齿结构，该迷宫密封齿结构在一定程度上解决了在密封区域耗散所密封介质能量的能力问题。但上述结构的密封效果及成品率并不十分理想。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种密封效果好，在密封区域耗散所密封介质能量的能力强，成品率高，可动态观察活塞运动抛物线密封结构内部流场的基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构，由分析解析式(1)，(2)在excel中输入摆线迷宫密封齿型的坐标值，将excel的坐标值导入CAD软件应用平台后绘制得出二维摆线迷宫密封齿形；
Figure BDA0003863616750000021
Figure BDA0003863616750000022
其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；
由摆线迷宫密封齿形所构成的迷宫密封结构满足：在活塞上采用摆线迷宫密封齿形动圆半径：A＝0.7mm；气缸壁与活塞之间的间隙δ＝0.8Mm，齿间距为1mm；在气缸壁上采用摆线迷宫密封齿形特征：动圆半径a＝0.25mm，齿间距为0.25mm。
进一步地，本发明所述二维摆线迷宫密封齿形通过将.sat文件导入Workbench软件mesh模块进行网格划分得出。
进一步地，本发明通过有限体积法FLUENT应用软件动网格技术以及udf函数得到优化后摆线轴向迷宫密封齿结构。
本发明可动态观察活塞运动摆线轴向迷宫密封齿结构内部流场，其摆线轴向迷宫密封齿与传统同尺寸参数的三角形齿、梯形齿、圆形齿迷宫密封结构相比，其结构密封效果理想、成品率高，在密封区域耗散所密封介质能量的能力提高47％～79％。FLUENT模拟时采用动网格技术，与其他稳态的二维模拟不同，动网格技术展示抛物线齿型的瞬态流动状况，可以详细观察到活塞运动每一时刻的抛物线密封结构的内部流场，并且更加准确的分析抛物线齿型的优势及特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明二维摆线轴向迷宫密封齿形图；
图2为本发明摆线轴向迷宫密封齿形缸体图；
图3为本发明摆线轴向迷宫密封齿形缸体网格划分图；
图4为本发明摆线轴向迷宫密封齿形气腔网格划分图；
图5为本发明三角形齿动网格二维模拟模型；
图6为本发明梯形齿动网格二维模拟模型；
图7为本发明活塞运动前中后期位置图；
图8为本发明FLUENT计算模拟后摆线形齿活塞在0.003s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图9为本发明FLUENT计算模拟后梯形齿活塞在0.003s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图10为本发明FLUENT计算模拟后三角齿活塞在0.003s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图11为本发明FLUENT计算模拟后摆线形齿活塞在0.01s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图12为本发明FLUENT计算模拟后梯形齿活塞在0.01s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图13为本发明FLUENT计算模拟后三角齿活塞在0.01s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图14为本发明FLUENT计算模拟后摆线形齿活塞在0.017s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图15为本发明FLUENT计算模拟后梯形齿活塞在0.017s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图；
图16为本发明FLUENT计算模拟后三角形齿活塞在0.017s时迷宫腔体内的湍动能云图和气体速度矢量图。
图17为本发明摆线齿形(A＝0.5mm；δ＝1mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图18为本发明摆线齿形(A＝0.6mm；δ＝1mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图19为本发明摆线齿形(A＝0.7mm；δ＝0.4mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图20为本发明摆线齿形(A＝0.8mm；δ＝1mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图21为本发明摆线齿形(A＝0.9mm；δ＝1mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图22为本发明摆线齿形(A＝0.7mm；δ＝0.4mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图23为本发明摆线齿形(A＝0.7mm；δ＝0.6mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图24为本发明摆线齿形(A＝0.7mm；δ＝0.8mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图25为本发明摆线齿形(A＝0.7mm；δ＝1.0mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图26为本发明摆线齿形(A＝0.7mm；δ＝1.2mm)空腔内气体湍动能云图及速度矢量图；
图27为本发明活塞和气缸的二维模型图；
图28为本发明摆线迷宫密封齿的活塞实物图。
图中：1、进气口；2、出气口；3、流体区域；4、气缸壁；5、活塞；6、迷宫空腔；7、迷宫间隙；8、进气口；9、出气口。
具体实施方式
如图所示，基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构，由分析解析式(1)，(2)在excel中输入摆线迷宫密封齿型的坐标值，将excel的坐标值导入CAD软件应用平台后绘制得出二维摆线迷宫密封齿形；
Figure BDA0003863616750000051
Figure BDA0003863616750000052
其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；
由摆线迷宫密封齿形所构成的迷宫密封结构满足：在活塞上采用摆线迷宫密封齿形动圆半径：A＝0.7mm；气缸壁与活塞之间的间隙δ＝0.8Mm，齿间距为1mm；在气缸壁上采用摆线迷宫密封齿形特征：动圆半径a＝0.25mm，齿间距为0.25mm。
本发明所述二维摆线迷宫密封齿形通过将.sat文件导入Workbench软件mesh模块进行网格划分得出。
本发明通过有限体积法FLUENT应用软件动网格技术以及udf函数得到优化后摆线轴向迷宫密封齿结构。
本发明在具体实施时，通过EXCAL表格应用软件对摆线形迷宫密封齿形参数化设计开发研究，开发出参数化绘制二维往复式迷宫摆线密封结构的方法，绘制出二维迷宫密封流场图。在CAD软件应用平台上绘制摆线齿形压缩机气缸二维图形。通过形成迷宫密封结构所确定的摆线齿型参数分析研究，导出气缸的.sat格式文件，将其导入Workbench软件mesh模块建立网格。运用相同的方法建立传统的三角形、梯形齿迷宫模型与网格划分，通过FLUENT动网格技术，利用Visual Studio2017软件编写udf函数，相对于稳态模拟更精确的模拟迷宫密封的内部动态流动。对比得出摆线齿形与其他齿形相比密封效果好、在密封区域耗散所密封介质能量的能力高。进一步地，应用有限元理论通过FLUENT动网格技术对摆线迷宫密封齿形的参数进行优化。选择最优的摆线齿形尺寸，得到优化的摆线迷宫密封齿结构。
为了研究非稳态情况下直通型迷宫压缩机内部的流场特性，首先选取某一特定的机型作为原型机，根据其结构尺寸建立几何模型，然后将其齿形按照模拟需要改进为摆线型；其次，按照活塞的实际运动规律，利用Visual Studio2017软件编写控制活塞运动方式所需要的udf函数，控制活塞的运动；最后，运用FLUENT动网格瞬态模拟技术分析活塞在运动过程中，迷宫压缩机内部的流场特性以及局部的受力情况。
本次设计选用的原型机为4K-80MG迷宫压缩机一级压缩活塞和气缸实物图，其结构特点是活塞为双作用的组合活塞，减轻了活塞重量；气缸上下均有进、出气口，提高工作效率；工作压力小于260kg/cm，用铸铁制造。
4K-80MG迷宫压缩机主要参数表单位：mm
参数名称 具体数值 参数名称 具体数值
进气口压力 101325 出气口压力 303975
活塞直径D1 80 气缸内径D2 81
行程S 80 活塞厚度H 40
迷宫齿齿高 4 迷宫齿齿隙 0.5
迷宫齿齿距 6 迷宫齿齿形 三角形
活塞和气缸的二维模型参见图27所示。
由解析式(1)、(2)及excal软件应用，在cad软件绘制二维往复式迷宫压缩机齿形简图(见图1)，其中L为活塞齿间距、l为气缸齿间距。进而绘制出缸体图(见图2)，使之能够在CAD上导出.sat文件。
采用workbench软件mesh模块建立迷宫缸体的二维非结构化网格模型(如图3)，选用非结构网格中的三角形网格进行几何模型整体的网格划分网格尺寸选择0.3mm(如图4)。迷宫压缩机活塞运动过程，根据UDF函数进行控制，并且通过Fluent提供的宏DEFINE_CG_MOTION，使得其接收到设定的运动规律。活塞运动的速度按照正弦规律渐进变化，往复运动一个周期的时间为0.04s，我们选取半个周期进行研究，其运动最大速度为2Πm/s，平均速度为4m/s。
Figure BDA0003863616750000081
不同齿形对比：利用以上相同的方法建立三角形齿(见图5)、梯形齿(见图6)动网格二维模拟模型，对三角形齿、梯形齿、摆线形齿三种齿形不同时刻密封性能进行数值模拟，模拟过程中保证空腔深度宽度、空腔深度、间隙宽度、齿间距不发生变化，并对活塞运动的不同时刻气体湍动能云图、速度云图以及速度矢量图进行监控，对具有代表性的前中后期分别取活塞运动0.003s、0.01s、0.017s时刻模拟结果进行优化分析计算(见图7)。在此展示三种不同齿形的活塞不同时刻迷宫腔体内湍动能云图和气体速度矢量图(见图8～图16)。计算分析得出该摆线齿形相比于梯形齿和三角形齿摆线齿形的迷宫密封结构密封效果好、在密封区域耗散所密封介质能量的能力高。
摆线齿形优化：在保证相同活塞速度、进出口压力比等条件下，利用FLUENT动态模拟迷宫密封的内部流动及应用有限元理论，对不同动圆半径A摆线及活塞与气缸壁间隙δ参数进行模拟。在控制单一变量保证结果的可控性的情况下，摆线齿形半径选取0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm五组数据；间隙选取0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm五组数据。在此列举活塞与气缸壁间隙为1mm的五组不同动圆半径A和动圆半径为0.7mm的五组不同活塞与气缸壁间隙δ的摆线齿型空腔内气体湍动能云图及速度矢量图(见图17～26)。计算分析得出最优的活塞摆线迷宫密封齿结构，即摆线齿形半径A＝0.7mm，活塞与气缸壁间隙δ＝0.8mm。图28是摆线迷宫密封齿的活塞实物图。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构，其特征在于：由分析解析式(1)，(2)在excel中输入摆线迷宫密封齿型的坐标值，将excel的坐标值导入CAD软件应用平台后绘制得出二维摆线迷宫密封齿形；
Figure FDA0003863616740000011
Figure FDA0003863616740000012
其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；
由摆线迷宫密封齿形所构成的迷宫密封结构满足：在活塞上采用摆线迷宫密封齿形动圆半径：A＝0.7mm；气缸壁与活塞之间的间隙δ＝0.8Mm，齿间距为1mm；在气缸壁上采用摆线迷宫密封齿形特征：动圆半径a＝0.25mm，齿间距为0.25mm。
2.根据权利要求1所述基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构，其特征在于：所述二维摆线迷宫密封齿形通过将.sat文件导入Workbench软件mesh模块进行网格划分得出。
3.根据权利要求2所述基于动网格瞬态模拟技术的摆线轴向迷宫密封齿结构，其特征在于：通过有限体积法FLUENT应用软件动网格技术以及udf函数得到优化后摆线轴向迷宫密封齿结构。
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