Page 103 - 《摩擦学学报》2020年第6期

786 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

表 2 螺旋槽干气密封工况条件 介质的干气密封几何结构参数与工况参数(详见表1与
Table 2 Operation conditions of spiral dry gas seal 表2)进行验证. 经计算气膜径向平均压力分布如图3(a)

Parameter Air [11] S-CO 2 [20] S-CO 2 所示，通过分析发现，采用同样的参数，本文中的计算
Rotational speed，n/(r/min) 10 380 2 560.2 20 000 结果与文献值具有较好的吻合性，且最大相对误差不
Inlet pressure，p i /MPa 4.585 2 10 11
超过4%. 图3(b)给出了气膜内平均温度沿径向分布，
Outlet pressure，p o /MPa 0.101 325 0.101 0.101 325
Inlet temperature，T i /℃ 29.85 80 80 与文献[20]中气膜温度相比，本文模型同样具有较好
的一致性，但从根径到内径这一区域，两个模型之间
误差逐渐增大，但最大相对误差不超过9%. 经分析发
Input geometric parameters
and operating parameters 现，引起这一误差的主要原因是两个模型采用的状态
方程不一样，文献[20]采用R-K方程，本文中采用三项
Divide the grid and set the
boundary conditions 截断形维里方程. 通过以上压力与温度的对比分析，
验证了本文模型与计算方法的正确性.
Initializes the pressure and 2.2 气膜内流场分布
temperature fields
通过对以S-CO 为介质的干气密封进行分析计算
2
(取槽深h =5 μm，其余参数列于表1与表2中)，获得了
g
考虑离心惯性力效应与不考虑离心惯性力效应作用
Calculate the Calculate the
compression factor viscosity 下的气膜径向平均压力与平均温度分布(平均值是同
一半径处的周向平均值)，如图4所示. 图5给出了图4
Calculate the gas film 中考虑离心惯性力效应下气膜平均压力与平均温度
pressure field
对应的气膜径向平均压缩因子与平均黏度分布，以及
No 沿半径方向在相同压力和温度下查询NIST数据库
δp < e
[23]
REFPROP 获得的压缩因子与黏度分布.
Yes
通过对图4与图5进行分析，可得出如下规律与
Calculate the gas film
temperature field
结论：
(1) 不论考虑离心惯性力效应与否，在整个流场
No
δT < e
范围内，压力、温度从进口到出口呈非线性减小的方
Yes
式变化. 然而，在考虑离心惯性力效应的情况下，在整
Calculate the opening force, leakage rate
and outlet temperature of gas film 个流场内压力、温度均比不考虑离心惯性力效应下的

低. 因此，对于S-CO 干气密封来说，离心惯性力效应
Fig. 2 Flow chart of numerical calculation 2
图 2 数值计算流程图 在一定程度上具有削弱流场内压力、温度的作用. 产
360
5
340
Pressure, P/MPa 4 3 2 Temperature, T/K 320

300

1 Current pressure 280 Current temperature
260
Ref. [11] pressure Ref. [20] temperature
0
240
58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 30 32 34 36 38 40 42
Radius, R/mm Radius, R/mm
(a) Pressure validation (b) Temperature validation

Fig. 3 Pressure and temperature of S-DGS calculation program
图 3 螺旋槽干气密封计算模型压力和温度验证