Page 104 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 严如奇, 等: 离心惯性力效应对超临界二氧化碳干气密封流场与密封特性影响分析 787

100 (3) 为确定S-CO 干气密封气膜内随着压力与温
12 74 2
72 80
70 度下降过程中的相态分布，以及判断是否存在气相到
10 29.0 29.5 30.0 60 液相甚至固相的转变，以考虑离心惯性力效应的情况
Pressure, P/MPa 8 6 8.5 20 Temperature, T/℃ 为例进行分析. 在图4中给出了考虑离心惯性力效应
40
下的平均气膜压力所对应的临界温度点、饱和温度点
0
4
P-lnertia
P-lnertialess
−40
7.5
T-lnertia 8.0 29.0 29.5 30.0 −20 与升华点，只要沿径向方向的气膜平均温度大于相同
2 T-lnertialess
Critical temperature point −60 气膜平均压力下的饱和温度与升华温度，就不会出现
Saturation temperature point
0 Sublimation point −80 液相甚至固相. 通过对比分析可以发现，在本次算列
24 26 28 30 32 34 36
2
Radius, R/mm 中，在外径到靠近槽根径的区域内CO 为超临界态，靠

近槽根径的区域到内径CO 为气态. 由于温度沿半径
Fig. 4 Pressure and temperature distribution of gas film 2
图 4 气膜压力与温度分布 方向由外而内是逐渐降低的，且在内径处最低，只要
出口处温度大于CO 在标准大气压下的升华温度为
2
1.00 26
[24]
−78.45 ℃ ，那么在密封端面出口处的CO 就仍为气
2
0.95 24
相(因为CO 三相点压力高于标准大气压)，因此，在后
2
Compression factor, Z 0.85 Z-Current 20 Viscosity, η/(μPa·s) 指标. 从径向气膜平均温度分布可以看出，如果从避
0.90
22
续的讨论分析中将出口温度作为1个重要的密封特性
18
0.80
Z-REFPROP
η-Current
免凝结流动这个角度考虑，离心惯性力效应引起的温
0.75
16
η-REFPROP
0.70
2
(4) 通过图5可以看出，本文中计算压缩因子与沿
12
0.65 14 降将不利于S-CO 干气密封.
0.60 10 半径方向相同压力和温度下查询NIST数据库REFPROP
24 26 28 30 32 34 36
Radius, R/mm 获得的压缩因子具有较好的吻合性. 在临界压力

Fig. 5 Compression factor and viscosity ( P c = 7.377 MPa)以下，两条压缩因子曲线近似重合在一
distribution of gas film
起，在临界压力以上，计算压缩因子与数据库REFPROP
图 5 气膜压缩因子与黏度分布
内的压缩因子有一定的偏差，但通过计算发现两者压
生这种现象，主要是因为离心惯性力的方向与气体流 缩因子相对误差最大不超过3%. 同时，在整个流场
动的方向相反，阻碍气体的流动，在能量方程中表现 内，压缩因子从0.62逐渐增至0.99，也再次佐证了不能
为削弱流动功，最终使得气膜温度下降，随着气膜温 将二氧化碳看作理想气体来处理. 此外，气膜平均黏
度的下降，气膜内气体分子的热运动被弱化，进而引 度与相同压力和温度下在REFPROP中获得的黏度也
起整个气膜内压力降低. 具有较好的一致性，最大相对误差为4.12%. 通过压缩
(2) 不论考虑离心惯性力效应与否，从外径到内 因子与黏度的分析，进一步验证了压力与温度耦合计
径气膜内温度逐渐降低，气膜内温度不再以等温规律 算方法与过程的准确性.
变化，特别是槽根径到内径区域存在较大温降. 当不 2.3 转速对密封特性的影响
考虑离心惯性力效应时，从外径进口到槽根径的区 为分析离心惯性力效应对S-CO 干气密封密封特
2
域，由于在螺旋槽作用，该区域黏性耗散作用产生的 性的影响. 本文作者从干气密封可达到的最大线速度
[25]
温升较为显著，可以有效抵消由于二氧化碳膨胀导致 250 m/s 考虑，将最高转速取为70 000 r/min(根据
的降温，因此，在这一区域温度变化率相对较小. 然 表1密封环结构尺寸，此时在外径处有最大线速度
而，从槽根径到内径出口区域，由于没有螺旋槽的作 260 m/s，为了对转速取整，所以此值比最大线速度对
用，流场内黏性耗散作用产生的温升较小，而压力剧 应的转速略大). 在表1与表2其他数据不变的情况下，
烈衰减导致的温降较大，所以，在该区域内温度变化 取不同槽深与转速，分别计算了其开启力、泄漏率和
率较大. 考虑离心惯性力效应作用下的气膜温度变化 出口温度，分别如图6(a)、图6(b)和图6(c)所示.
趋势与不考虑离心惯性力效应的情况相似，只是黏性 从图6(a)可以看出，不考虑离心惯性力效应作用
耗散产生的温升除了要补偿二氧化碳膨胀导致的温 时，在不同槽深下，气膜开启力随着转速的增大近似
降之外，还需补偿离心惯性力效应导致的温降. 以线性的方式增大，而且槽深越大开启力越大. 在考