柔性支承柱面氣膜密封CFD數(shù)值分析

代　迪，劉美紅

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

在工業(yè)燃氣輪機和航空發(fā)動機中，使用密封技術能明顯降低油耗、提高相關構件的工作壽命和耐久性，并能提升整機的工作效率[1]。然而，航空發(fā)動機的工作環(huán)境具有高環(huán)境溫度、高界面滑速和高邊界溫差的特點。并由于熱力變形及劇烈振動，發(fā)動機轉子存在較大的動態(tài)位移[2-5]。傳統(tǒng)的迷宮密封技術、刷式密封和端面密封技術，難以適應上述條件[6]。因此，研究可以實現(xiàn)較大柔性的氣膜密封技術變得越發(fā)重要。

目前，柔性氣膜密封技術主要包括端面氣膜和柱面氣膜[7-8]。端面氣膜由靜環(huán)和動環(huán)兩個部分組成，常用的端面氣膜密封結構包括“吸氣式”靜壓端面氣膜密封技術、反轉軸間端面氣膜密封技術和瑞利階梯型端面氣膜密封技術[9]。然而，端面氣膜密封技術存在較大的局限性，難以適應航空發(fā)動機的工作環(huán)境[10-11]。柔性支承柱面氣膜采用密封浮動構件和大柔性支承結構制造[12]，在確保最大氣膜剛度和最小氣膜厚度的條件下，能抵消熱力變形和轉子的劇烈振動。其相比于傳統(tǒng)的端面氣膜較易實現(xiàn)，且具有較大的徑向柔性[13]。典型的柱面氣膜密封結構包括柔順箔密封、薄片板密封和直筒式柱面氣模密封[14]。

對柔性支承柱面氣膜的定性和定量分析，是設計更加合理的密封系統(tǒng)的基礎。然而建立合理的柱面氣膜密封系統(tǒng)的理論分析模型仍較為困難，現(xiàn)有的研究手段主要包括數(shù)值模擬和實驗研究。本文首先在Proe[15]中建立柱面氣膜的密封參數(shù)化模型，然后基于有限元分析的Linear Soid劃分方法，使用ANSA網格劃分軟件[16]來劃分網格，并分析柔性支承柱面的靜壓、速度和剪應力。同時，研究柱面結構參數(shù)與操作參數(shù)對柔性支承柱面氣膜密封性能的影響。

1　柔性支承柱面氣膜密封原理與建模

柔性支承柱面氣膜密封系統(tǒng)通常由軸承座、波箔片、平箔和軸頸組成。柱面氣膜轉子的高速旋轉使得浮環(huán)和軸頸間產生動壓密封氣膜，而靜子與浮環(huán)間具有較大的柔性支撐可抵消變形和振動位移對密封系統(tǒng)的不良影響。同時，支承與氣膜間的共同作用可以避免密封表面間的磨損及接觸摩擦，并能實現(xiàn)更優(yōu)的密封效果。

為了分析柱面氣膜的各種性能，本文首先用Proe建立了柱面氣膜模型，如圖1所示。使用ANSA中的CFD版塊對所建立的模型進行網絡劃分，并使用FLUENT的有限元計算程序設置邊界條件與求解器。最后，使用FLUENT的后處理軟件繪制模型的流體圖、壓力云圖和速度矢量場等。

圖1　柔性支承柱面氣膜模型

圖2　整體與局部網格劃分結果

流體網格劃分的質量將直接影響CFD數(shù)值計算的速度和精度。本文使用Linear Solid劃分方法，首先通過控制外圓面的網格數(shù)劃分外圓面；然后將寬度方向設置為5層，并劃分為92 484個網格，以既能模擬出模型的實際流動，又能節(jié)省運算成本和時間。圖2所示為本文劃分結果的整體和局部展示。

本文為了便于計算與分析，忽略了氣膜體積力與慣性力，并假設動環(huán)和靜環(huán)與氣膜間無相對滑動，氣膜運行穩(wěn)定、無振動和擾動。設置邊界條件為：進口壓力pr=0.113 325 MPa，出口壓力ps=0.101 325 MPa；動環(huán)壁面為旋轉Wall Motion，靜環(huán)壁面為Stationary Wall，動環(huán)轉速為8 000 r/min；軟件求解器設置為SIMPLE壓力修正法。下面分別仿真分析柔性支承柱面的靜壓、速度和剪應力分布。

(1)靜壓分析。如圖3所示為FLUENT軟件得到的柔性支承柱面氣膜靜壓分布圖。從圖中可以看出，氣膜最大壓力為0.116 MPa，且壓力分布具有流體憋油升壓效應。其在氣膜從較大膜厚處流向最小膜厚處時，壓力快速增大，并形成一個負壓區(qū)。

圖3　柔性支承柱面氣膜靜壓分布圖

(2)速度分析。如圖4所示為FLUENT軟件得到的柔性支承柱面氣膜速度矢量圖。圖中兩種顏色分別為動環(huán)內壁與靜環(huán)內壁處速度矢量?？梢钥闯觯瑒迎h(huán)外壁處速度明顯大于靜環(huán)內壁處速度。

圖4　柔性支承柱面氣膜速度矢量圖

(3)剪應力分析。如圖5所示為FLUENT軟件得到的柔性支承柱面氣膜剪應力分布圖。從圖中可以看出，在最小膜厚處剪應力最大為1.54×10-4MPa，且能產生更強的剪切效應。

圖5　柔性支承柱面氣膜剪應力分布圖

2　密封性能分析

2.1　不同結構參數(shù)下柱面氣膜密封性能分析

本文比較了在不同偏心率和間隙下柔性支承柱面氣膜的軸向靜壓、泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和氣膜剛度等密封性能。

由流體動壓原理可知，當壓差和轉速等邊界條件恒定時，偏心率的大小將嚴重影響流體動壓效應。如圖6所示為偏心率 分別取0.2、0.4、0.6和0.8時，柱面氣膜的靜壓分布圖。從圖中可以看出，ε為0.2時，柱面氣膜下端面壓力出口處壓力明顯小于上端面壓力入口處壓力，形成軸向泊肅葉壓差流；ε為0.4、0.6和0.8時，柱面氣膜在較薄處壓力值較大，依此為0.113 MPa、0.116 MPa和0.128 MPa，并出現(xiàn)流體動壓效應，且 越大流體動壓效應越明顯。

圖6　不同偏心率時柱面氣膜的靜壓分布圖

當ε取0.6時，密封間隙從0.01 mm變化到0.03 mm時，柱面氣膜的泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和最大壓強等密封性能變化如圖7所示。從圖中可以看出，隨著密封間隙的增加，柔性支承柱面氣膜的泄漏量隨之增加，浮生力、摩擦轉矩和最大壓強隨之減小，柱面氣膜的密封性能逐漸降低。

圖7　不同密封間隙下柱面氣膜的泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和最大壓強等密封性能變化

2.2　不同操作參數(shù)下柱面氣膜密封性能分析

本文使用控制變量法，分析不同操作參數(shù)下柱面氣膜的密封性能。如圖8所示為轉速分別為2 000 rpm、4 000 rpm、6 000 rpm和8 000 rpm時，柱面氣膜的靜壓分布圖。從圖中可知，隨著轉速的增加，流體動壓效應越明顯。

圖8　不同轉速下柱面氣膜靜壓分布圖

如圖9所示為氣體粘度從0.5×10-5Pa·s增加至3.5×10-5Pa·s時，柱面氣膜的泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和最大壓強等密封性能變化情況。從圖中可以看出，隨著氣體粘度的增加，泄漏量和摩擦轉矩在逐漸減小。而浮升力先增加后不變，最大壓強在逐漸增加。由此表明，氣體粘度越大，柱面氣膜密封性能越好。

如圖10所示為邊界壓差從0.01 MPa增加到0.1 MPa時，柱面氣膜的泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和最大壓強等密封性能變化情況。從圖中可以看出，隨著壓差增加，各項指標均在增長。表明壓差越大，柱面氣膜密封性能越好。

圖9　不同氣體粘度時柱面氣膜的泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和最大壓強等密封性能變化

圖10　不同壓差時柱面氣膜的泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和最大壓強等密封性能變化

3　結束語

本文使用CFD數(shù)值分析技術分析柔性支承柱面氣膜的密封性能。首先建立了柔性支承柱面氣膜的參數(shù)化模型，并仿真分析氣膜的靜壓、速度和剪應力分布；然后，比較結構參數(shù)與操作參數(shù)下軸向靜壓、泄漏量、浮升力、摩擦轉矩和氣膜剛度等密封性能的變化情況。仿真與測試結果表明，隨著轉速的增加，柱面氣膜表面流體動壓效應越明顯；隨著壓差和氣體粘度的增加，浮升力及泄漏量呈線性增加，柱面氣膜密封性能越好。

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