車健，江錦波，李紀(jì)云，彭旭東，馬藝，王玉明

（浙江工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州310014）

引 言

小孔節(jié)流靜壓干氣密封是一種新型的非接觸式軸端密封，通過(guò)外部供氣或密封腔引氣等方式將一定的帶壓氣體通過(guò)節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)入密封端面，從而形成可觀的流體靜壓承載力，使干氣密封在靜壓或低速條件下形成穩(wěn)定氣膜。相較于經(jīng)典螺旋槽干氣密封，其在低速條件下具有更大承載力和氣膜穩(wěn)定性，因而在制藥釜、攪拌器等低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備中得到應(yīng)用[1-2]。

自加壓式靜壓干氣密封由Cheng 等[3]在1967 年所提出，并對(duì)比分析了小孔節(jié)流靜壓密封、雷列臺(tái)階靜壓密封和螺旋槽端面密封的壓力分布和靜態(tài)穩(wěn)定性；Stolarski 等[4]考慮粗糙度的影響，分析了密封環(huán)變形、壓力和速度對(duì)靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能的影響。不過(guò)近幾十年來(lái)國(guó)外關(guān)于靜壓干氣密封的研究較少，國(guó)內(nèi)關(guān)于靜壓型和動(dòng)靜壓干氣密封的研究主要集中于采用不同數(shù)值方法求解雷諾方程或N-S 方程以獲得靜壓干氣密封膜壓分布，進(jìn)而分析節(jié)流結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)靜壓干氣密封穩(wěn)動(dòng)態(tài)特性的影響。許恒杰等[5-6]和管羽剛等[7]采用解析法求解靜壓干氣密封的穩(wěn)態(tài)性能，并分析了節(jié)流孔直徑、個(gè)數(shù)、介質(zhì)壓力和節(jié)流氣壓力等參數(shù)對(duì)其穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律；李雙喜等[8-9]采用Fluent 軟件對(duì)動(dòng)靜壓型干氣密封的端面流場(chǎng)和壓力場(chǎng)開(kāi)展數(shù)值模擬，探討了不同工作狀態(tài)下動(dòng)靜壓干氣密封的密封性能；李雙喜等[10-11]和劉雨川等[12]基于有限元法求解雷諾方程或N-S 方程以獲得靜壓或動(dòng)靜壓型干氣密封端面膜壓分布和穩(wěn)態(tài)性能，進(jìn)而探討了結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)的影響；趙艷鳳等[13]采用有限差分法求解雷諾方程以獲得膜壓分布，并探討了均壓槽形狀對(duì)靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能影響?；谛_動(dòng)法，許恒杰等[14]和張樹(shù)強(qiáng)等[15]、尹源等[16]分別采用有限差分法和有限元法求解微擾雷諾方程，分析了多自由度擾動(dòng)下靜壓干氣密封的動(dòng)態(tài)特性。

值得注意的是，小孔節(jié)流靜壓氣體軸承中的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[17-18]節(jié)流氣進(jìn)入密封間隙后，會(huì)在節(jié)流孔出口附近形成明顯渦流和壓力波動(dòng)，進(jìn)而引起氣膜壓力的迅速下降和逐漸回升現(xiàn)象，而這種壓力的突降和回升會(huì)對(duì)氣體軸承的承載力和耗氣量產(chǎn)生影響，目前在靜壓干氣密封研究中所用的解析法或基于有限差分法和有限元法求解雷諾方程的方法無(wú)法準(zhǔn)確描述這一現(xiàn)象，故有待從靜壓氣體軸承研究中借鑒對(duì)靜壓氣體潤(rùn)滑壓力分布描述更準(zhǔn)確的分析方法。另一方面，目前關(guān)注較多的是通過(guò)節(jié)流孔、均壓槽形狀及尺寸參數(shù)優(yōu)化或氣膜厚度調(diào)控以提高靜壓干氣密封的氣膜承載力和氣膜剛度，而關(guān)于節(jié)流孔分布及出氣模式對(duì)靜壓干氣密封性能的影響及提升機(jī)制則未見(jiàn)探討。

本文首先采用湍流大渦模擬方法，分析了節(jié)流孔位置和氣膜厚度對(duì)單列孔節(jié)流靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律，探討了徑向單列節(jié)流靜壓干氣密封的性能局限性；隨后對(duì)比分析了不同出氣模式的徑向多列節(jié)流靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能，在不同運(yùn)行膜厚下獲得了最佳的出氣模式匹配。在此基礎(chǔ)上，提出了一種出氣模式可調(diào)的靜壓干氣密封結(jié)構(gòu)，并通過(guò)外部調(diào)控出氣模式以實(shí)現(xiàn)靜壓干氣密封的高氣膜承載、低泄漏率和低耗氣量的目標(biāo)。

1 分析模型

1.1 幾何模型

節(jié)流孔和均壓槽是小孔節(jié)流靜壓干氣密封中關(guān)鍵的節(jié)流結(jié)構(gòu)。圖1所示為經(jīng)典小孔節(jié)流靜壓干氣密封及其開(kāi)孔端面幾何結(jié)構(gòu)示意圖。靜壓干氣密封的主要結(jié)構(gòu)為由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成的一對(duì)密封副，在靜環(huán)端面徑向中部開(kāi)設(shè)有徑向?qū)挾葹閣、深度為hd的環(huán)形均壓槽，在均壓槽內(nèi)周向均勻分布有數(shù)量為N、直徑為d、軸向長(zhǎng)度為l的節(jié)流孔。密封端面的外半徑、內(nèi)半徑和均壓槽中心半徑分別為ro、ri和re。在靜壓干氣密封運(yùn)行時(shí)，壓力為ps的緩沖氣經(jīng)節(jié)流孔節(jié)流降壓后進(jìn)入到環(huán)形均壓槽內(nèi)，隨后一部分氣體通過(guò)厚度為h的密封間隙進(jìn)入到密封端面內(nèi)徑側(cè)而形成內(nèi)泄漏qi；因節(jié)流氣壓力高于外徑壓力，另一部分氣體進(jìn)入到密封端面外徑側(cè)而形成外泄漏qo，內(nèi)、外泄漏量之和為耗氣量q。

1.2 控制模型

圖1 靜壓干氣密封幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometric structure of hydrostatic dry gas seal

由于靜壓DGS 氣膜厚度僅僅為幾微米，從實(shí)驗(yàn)角度得到流場(chǎng)內(nèi)部氣體流動(dòng)較為困難，目前經(jīng)常使用流體計(jì)算力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法，對(duì)密封端面開(kāi)啟力和泄漏率等性能參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算。在節(jié)流孔出口區(qū)域，高速的緩沖氣進(jìn)入到密封端面會(huì)形成復(fù)雜的湍流流場(chǎng)，這時(shí)就需要求解完整的N-S方程來(lái)解析流場(chǎng)中微小的流動(dòng)情況[19-20]。大渦模擬(LES)數(shù)值計(jì)算目前已廣泛應(yīng)用于瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，該方法通過(guò)湍流運(yùn)動(dòng)的過(guò)濾將湍流分解為大尺度脈動(dòng)和小尺度脈動(dòng)，大尺度量通過(guò)數(shù)值求解濾波后的Navier-Stokes 方程獲得，小尺度的脈動(dòng)可采用亞格子模型求解[21]。由于大尺度脈動(dòng)是直接數(shù)值求解，而邊界條件又對(duì)小尺度脈動(dòng)影響較小，故大渦模擬方法可適用于復(fù)雜湍流流動(dòng)的模擬。利用密度加權(quán)濾波器（Favre 方法）對(duì)可壓縮Navier-Stokes 方程濾波得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，對(duì)其聯(lián)立求解。需要注意的是，其中的亞格子應(yīng)力項(xiàng)不能通過(guò)微分方程求解，可采用Smagorinsky-Lilly 亞格子雷諾應(yīng)力模型對(duì)其求解，使方程組封閉。

采用大渦模擬求得靜壓干氣密封氣膜壓力分布后，對(duì)其在密封端面上積分可獲得密封開(kāi)啟力F，進(jìn)一步可獲得氣膜剛度kz。內(nèi)、外徑泄漏率為計(jì)算域氣膜內(nèi)、外徑過(guò)流面積的體積流量；耗氣量為內(nèi)外泄漏率之和，具體表達(dá)式如下

式中，p 為密封端面任意點(diǎn)的壓力分布，vi和vo分別為密封端面內(nèi)徑ri和外徑ro處的氣體流速，規(guī)定流出計(jì)算域的流速為正。Ai和Ao分別為密封端面內(nèi)徑ri和外徑ro處的環(huán)形泄漏面積，其中Ai=2πrih，Ao=2πroh。規(guī)定指向流體流出計(jì)算域的方向?yàn)檎?，不考慮溫度對(duì)密封端面影響。需要指出的是，上述公式中q、qi和qo為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓且溫度為293 K 條件下的體積流量。

1.3 建模及仿真設(shè)置

圖2 所示為靜壓干氣密封計(jì)算流體域ICEM 網(wǎng)格劃分。為縮短計(jì)算時(shí)間，考慮到密封端面節(jié)流結(jié)構(gòu)的周向?qū)ΨQ性，可取全周期的1/N 作為計(jì)算流體域。先利用Fluent 前處理器ICEM 對(duì)靜壓干氣密封中包括節(jié)流孔、均壓槽和密封氣膜三部分在內(nèi)的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用高精度的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中節(jié)流孔和均壓槽、均壓槽和氣膜兩處交界區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。

圖2 靜壓干氣密封計(jì)算流體域網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid meshing of computing domain of hydrostatic dry gas seal

采用Fluent湍流大渦模擬來(lái)計(jì)算靜壓干氣密封的膜壓分布和穩(wěn)態(tài)性能。具體計(jì)算過(guò)程為：首先選用以單個(gè)節(jié)流孔為中心且左右徑向邊界呈30°夾角的流體計(jì)算域?yàn)橛?jì)算模型，給定工況和密封環(huán)幾何參數(shù)，采用三維雙精度求解器，選擇基于壓力求解的湍流大渦模擬模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，其中亞格子模型選擇Smagorinsky-Lilly[22]；在氣體的物性參數(shù)方面選擇可壓縮理想氣體，動(dòng)力黏度μ滿足Sutherland方程

其 中，μ0=1.716×10-5Pa·s，S=110.55 K，T0=273.11 K。

采用強(qiáng)制性壓力邊界條件，包括內(nèi)徑壓力pi，外徑側(cè)壓力po，節(jié)流氣壓力ps，以及左右兩邊的周期邊界；壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，利用二階迎風(fēng)插值格式來(lái)減小密度、湍流動(dòng)能和耗散等，動(dòng)量采用邊界中心差分格式；監(jiān)測(cè)密封端面膜壓平均值p，根據(jù)收斂條件，調(diào)整松弛因子，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 ms，單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代500次。

2 結(jié)果討論與分析

借鑒靜壓軸承領(lǐng)域[23-27]對(duì)于節(jié)流結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇，給定本文計(jì)算模型的幾何參數(shù)，如表1所示。未做特別說(shuō)明，下文的數(shù)值計(jì)算中均采用表1 中所示的計(jì)算參數(shù)。本次計(jì)算模型中基于以下假設(shè)：（1）假設(shè)流體為可壓縮理想氣體;（2）流體在界面上無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，即貼于表面的流體流速與表面速度相同;（3）忽略密封端面變形及介質(zhì)溫度變化的影響。

表1 靜壓干氣密封初始計(jì)算參數(shù)Table 1 Initial calculation parameters of hydrostatic dry gas seal

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性與程序正確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所選用湍流大渦模擬計(jì)算模型和方法的正確性，將其與靜壓氣體軸承徑向壓力分布的雷諾方程數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[28]，如圖3 所示。從圖中可看出，高速緩沖氣流出節(jié)流孔后，壓力迅速降低，在節(jié)流孔出口附近會(huì)形成局部壓降現(xiàn)象，隨后壓力逐漸回升至某一穩(wěn)定值。基于層流假設(shè)的經(jīng)典雷諾方程計(jì)算所得的氣膜壓力在節(jié)流孔出口附近并不會(huì)出現(xiàn)明顯的壓力下降和回升區(qū)域，且壓力明顯高于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果；而在整個(gè)徑向范圍內(nèi)，基于湍流大渦模擬方法計(jì)算所得的氣膜壓力分布與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合，從而證明該方法在求解靜壓氣體潤(rùn)滑問(wèn)題的可行性和正確性。

圖3 不同數(shù)值模擬方法所得氣膜壓力分布與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Film pressure obtained by different numerical simulation methods and measured values

由此可見(jiàn)，與以往基于解析法或采用有限元法、有限差分法求解基于層流假設(shè)的雷諾方程以獲得靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能相比，采用湍流大渦模擬方法能更準(zhǔn)確地求解出靜壓干氣密封節(jié)流孔出口附近的氣膜壓力分布，從而使密封開(kāi)啟力、氣膜剛度和泄漏率等穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)數(shù)值預(yù)測(cè)精度更高。

為選取合適的網(wǎng)格數(shù)量，以兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，本文計(jì)算了密封開(kāi)啟力隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律，如圖4 所示。從圖中可看出，隨著網(wǎng)格數(shù)從48.6 萬(wàn)增加至149.8 萬(wàn)，密封開(kāi)啟力先迅速減小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)100 萬(wàn)后趨于平緩，故下文數(shù)值計(jì)算時(shí)選取的網(wǎng)格數(shù)量為100萬(wàn)。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

2.2 徑向單列節(jié)流孔靜壓干氣密封的性能分析

在小孔節(jié)流靜壓氣體軸承的研究中發(fā)現(xiàn)[29-31]，節(jié)流氣壓力的適當(dāng)提高有助于使靜壓潤(rùn)滑氣膜的承載力和氣膜剛度得到提升，但過(guò)大的節(jié)流氣壓力容易造成靜壓氣體軸承或密封氣膜的氣錘自振，從而使其動(dòng)力失穩(wěn)而失效，故本節(jié)主要探討氣膜厚度和節(jié)流孔徑向位置對(duì)單列節(jié)流靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能的影響。

圖5所示為經(jīng)典小孔節(jié)流靜壓干氣密封的開(kāi)啟力F、氣膜剛度kz、內(nèi)泄漏率qi、外泄漏率qo和耗氣量q 等穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)隨氣膜厚度的變化規(guī)律。從圖中可看出，隨著氣膜厚度的增大，靜壓干氣密封的開(kāi)啟力單調(diào)遞減，而氣膜剛度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)膜厚為8 μm 時(shí)達(dá)到最大值，這與常規(guī)螺旋槽干氣密封的氣膜剛度隨膜厚增加而單調(diào)遞減的規(guī)律有明顯區(qū)別，說(shuō)明靜壓干氣密封只有在合適的運(yùn)行膜厚下才能獲得最大的氣膜剛度；密封內(nèi)泄漏率呈增速遞增的變化規(guī)律，外泄漏率則先增大后減小，而耗氣量則先迅速增加后趨于穩(wěn)定值。這是因?yàn)殡S著氣膜厚度的增大，節(jié)流孔處的壓力峰值迅速減小，一方面膜厚的增大會(huì)引起內(nèi)、外泄漏的迅速增加，另一方面因節(jié)流孔處壓力與內(nèi)、外徑壓力之間的壓差減小則會(huì)使得內(nèi)、外泄漏減小，因節(jié)流孔處壓力與外徑壓力之間的壓差更小，這種對(duì)氣體泄漏的削弱作用在節(jié)流孔與端面外徑之間的上游區(qū)尤為明顯，這兩種作用共同決定了干氣密封的內(nèi)、外泄漏率及供氣量。特別地，當(dāng)節(jié)流孔處的壓力低于外徑側(cè)壓力時(shí)，靜壓干氣密封的外泄漏率呈現(xiàn)為負(fù)值，也即介質(zhì)由外徑側(cè)向內(nèi)徑側(cè)流動(dòng)。

圖5 經(jīng)典小孔節(jié)流靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)隨氣膜厚度變化規(guī)律Fig.5 Influence of film thickness on steady-state performance of hydrostatic dry gas seal with normal orifice-type restrictor

圖6 節(jié)流孔徑向位置對(duì)靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能影響Fig.6 Influence of orifice radial position on steady-state performance of hydrostatic dry gas seal

圖6所示為節(jié)流孔徑向位置對(duì)靜壓干氣密封開(kāi)啟力、泄漏率和耗氣量的影響。隨著節(jié)流孔中心所在半徑的增大，也即節(jié)流孔逐漸從內(nèi)徑側(cè)向外徑側(cè)移動(dòng)，靜壓干氣密封的開(kāi)啟力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，其中在r=33 mm時(shí)達(dá)到最大值，也即當(dāng)節(jié)流孔開(kāi)設(shè)在密封端面徑向中部時(shí)具有最大的氣膜承載力；內(nèi)泄漏率呈線性遞減，外泄漏率呈線性遞增，而耗氣量則基本不變，這是因?yàn)殡S著節(jié)流孔逐漸向外徑側(cè)靠近而遠(yuǎn)離內(nèi)徑側(cè)，節(jié)流緩沖氣向內(nèi)徑泄漏的流阻增加，而向外徑側(cè)泄漏的流阻減小，不過(guò)總的流阻基本不變，故耗氣量基本不受節(jié)流孔徑向位置影響。值得注意的是，當(dāng)節(jié)流孔非?？拷鼉?nèi)徑側(cè)時(shí)，節(jié)流緩沖氣的外泄漏率為負(fù)值，也即上游區(qū)的密封氣體由外徑側(cè)向內(nèi)徑側(cè)流動(dòng)。

2.3 徑向多列節(jié)流孔靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能

從上述的分析中可以看出，相對(duì)于徑向單列節(jié)流孔靜壓干氣密封而言，單純依靠選擇合適的運(yùn)行膜厚和優(yōu)化節(jié)流孔徑向位置雖然能在一定程度上提高靜壓干氣密封的氣膜承載力和剛度，但是效果有限。研究采用徑向多列節(jié)流孔同時(shí)供氣靜壓干氣密封結(jié)構(gòu)的氣膜潤(rùn)滑性和密封性，并通過(guò)出氣模式匹配和徑向各列節(jié)流孔周向位置的優(yōu)化以更好地平衡靜壓干氣密封的氣膜承載力、剛度和密封性。

圖7所示為徑向多列節(jié)流孔靜壓干氣密封的端面結(jié)構(gòu)和計(jì)算域示意圖。對(duì)于徑向各列節(jié)流結(jié)構(gòu)，其都由寬度為w的環(huán)形均壓槽和數(shù)量為N 的節(jié)流孔組成，且各節(jié)流結(jié)構(gòu)沿徑向均勻布置。從外徑至內(nèi)徑側(cè)，節(jié)流孔中心處的半徑r1、r2和r3分別為34.75、33和31.25 mm，各列節(jié)流孔直徑和均壓槽寬度相等，分別為d=0.2 mm 和w=1 mm。引入邏輯變量——出氣模式I 以表示徑向各列節(jié)流孔的供氣模式，I 的位數(shù)與節(jié)流孔徑向列數(shù)相等，某位上的數(shù)值0 表示給定徑向位置未開(kāi)設(shè)節(jié)流結(jié)構(gòu)，1 則表示給定徑向位置開(kāi)設(shè)周向12 個(gè)節(jié)流孔以及環(huán)形均壓槽，I 的第1、第2和第3位分別對(duì)應(yīng)靠近外徑側(cè)、徑向中間位置和靠近內(nèi)徑側(cè)的節(jié)流結(jié)構(gòu)供氣情況，如I=010 表示僅有徑向中間位置供氣的供氣模式，I=101 則表示靠近外徑側(cè)和靠近內(nèi)徑側(cè)的兩列節(jié)流孔同時(shí)供氣的供氣模式。

圖7 徑向多列節(jié)流孔靜壓干氣密封端面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Geometric structure of hydrostatic dry gas seal surface with multi-row orifices

圖8所示為四種不同出氣模式的多列節(jié)流孔靜壓DGS 與經(jīng)典單列節(jié)流靜壓DGS 的開(kāi)啟力、泄漏率和耗氣量。從圖中可看出，與單列節(jié)流靜壓DGS（I=010）相比，多列節(jié)流靜壓DGS 的開(kāi)啟力、泄漏率和耗氣量都有所增加。開(kāi)啟力和耗氣量主要受節(jié)流孔列數(shù)影響，相較于經(jīng)典單列節(jié)流靜壓DGS，雙列節(jié)流靜壓DGS 的開(kāi)啟力和耗氣量增幅分別約為10%和85%，三列節(jié)流靜壓DGS 的開(kāi)啟力和耗氣量增幅分別約為20%和150%。從最關(guān)鍵的開(kāi)啟力和內(nèi)泄漏率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)看，相較于I=010 出氣模式，I=110 出氣模式在使開(kāi)啟力增幅達(dá)到10%的前提下內(nèi)泄漏率增幅控制在15%，而其他出氣模式的內(nèi)泄漏率增幅都在50%以上。

圖8 不同出氣模式靜壓干氣密封開(kāi)啟力與泄漏率Fig.8 Effect of exhaust mode on opening force and leakage rate of hydrostatic dry gas seal

圖9 不同出氣模式下靜壓干氣密封徑向壓力分布Fig.9 Radial pressure distribution of hydrostatic dry gas seal with different exhaust mode

圖9所示為四種徑向多列節(jié)流靜壓DGS與經(jīng)典單列節(jié)流靜壓DGS（I=010）的徑向膜壓分布。從圖中可看出，I=111 出氣模式在整個(gè)密封端面徑向范圍內(nèi)具有最大的膜壓值，故而形成最大的氣膜承載力和耗氣量。出氣模式I=110 和I=011 分別在經(jīng)典出氣模式I=010 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了靠近外徑側(cè)節(jié)流供氣和靠近內(nèi)徑側(cè)節(jié)流供氣，故其分別能在靠近外徑側(cè)和靠近內(nèi)徑側(cè)區(qū)域形成明顯的壓力峰值，從而引起開(kāi)啟力和耗氣量增加，不過(guò)I=110 對(duì)外泄漏率影響較大，而I=011對(duì)內(nèi)泄漏率影響較大。

圖10 不同出氣模式靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)隨膜厚變化規(guī)律Fig.10 Effect of exhaust mode on steady-state performance of hydrostatic dry gas seal under different film thickness

上述分析是在給定氣膜厚度h=12 μm條件下獲得的。實(shí)際上，靜壓干氣密封可能會(huì)在不同的氣膜厚度下運(yùn)行，且氣膜厚度可通過(guò)改變節(jié)流氣壓力或閉合力的方式以調(diào)控，故有必要獲得不同氣膜厚度下各徑向多列節(jié)流出氣模式靜壓干氣密封的運(yùn)行性能。圖10所示為四種多列節(jié)流出氣模式與I=010的經(jīng)典單列節(jié)流出氣模式靜壓DGS 的開(kāi)啟力、氣膜剛度、內(nèi)泄漏率和耗氣量。在各給定膜厚條件下，I=111 出氣模式靜壓DGS 的開(kāi)啟力、內(nèi)泄漏率和耗氣量最大，而I=010 出氣模式靜壓DGS 最小。當(dāng)氣膜厚度h＜10 μm 時(shí)，I=101 出氣模式靜壓DGS 具有最大的氣膜剛度，且較其他幾種出氣模式靜壓DGS 高出25%以上；而其他三種徑向多列節(jié)流靜壓DGS 的氣膜剛度最大值與I=010 出氣模式相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)I=101 出氣模式適用于膜厚較小的場(chǎng)合。當(dāng)h＞10 μm 時(shí)，I=111 出氣模式具有最大的氣膜剛度，而其他三種徑向雙列節(jié)流靜壓DGS 的氣膜剛度差異不大?？紤]到I=110 出氣模式僅比I=010 出氣模式的內(nèi)泄漏率高出10%，而較其他三種徑向多列節(jié)流靜壓DGS要低20%～50%，故在膜厚較大時(shí)宜選用I=110 出氣模式的靜壓DGS。耗氣量主要受節(jié)流孔徑向列數(shù)影響，而與出氣模式關(guān)聯(lián)較弱，相較于經(jīng)典的I=010 出氣模式靜壓DGS，徑向雙列節(jié)流靜壓DGS 的耗氣量增幅為60%～100%，而徑向三列節(jié)流靜壓DGS的增幅為120%～180%。由此可見(jiàn)，不同出氣模式的靜壓DGS 在不同運(yùn)行膜厚下的性能各異，有望通過(guò)出氣模式的合理選擇以滿足不同運(yùn)行膜厚和工況條件下靜壓干氣密封的低泄漏、高承載和高剛度的性能需求。

2.4 新型出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封性能分析

鑒于徑向多列節(jié)流靜壓干氣密封對(duì)不同運(yùn)行工況更強(qiáng)的適應(yīng)能力，并借鑒淋浴噴頭出水模式可調(diào)原理，提出一種新型出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封結(jié)構(gòu)，以期通過(guò)調(diào)控出氣模式以使靜壓干氣密封適應(yīng)不同的運(yùn)行膜厚和工況條件。圖11 所示為出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封的靜環(huán)組件結(jié)構(gòu)示意圖。出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封的靜環(huán)組件主要包括靜環(huán)及置于靜環(huán)背腔內(nèi)的調(diào)節(jié)環(huán)，靜環(huán)端面上沿徑向均勻開(kāi)設(shè)有多列環(huán)形均壓槽和節(jié)流孔，相鄰列節(jié)流孔周向錯(cuò)排，且節(jié)流孔是連通密封端面均壓槽和靜環(huán)背腔的通道；調(diào)節(jié)環(huán)上與靜環(huán)背部端面貼合的端面上沿徑向均勻開(kāi)設(shè)有集氣槽，各集氣槽的徑向位置與節(jié)流孔一一對(duì)應(yīng)，相鄰列集氣槽周向直排，每個(gè)集氣槽通過(guò)開(kāi)設(shè)于其內(nèi)的通氣孔與節(jié)流氣腔連通，節(jié)流氣腔通過(guò)靜環(huán)側(cè)面的供氣孔與供氣管路相通。當(dāng)某一節(jié)流孔位于對(duì)應(yīng)的集氣槽范圍內(nèi)時(shí)，帶壓節(jié)流氣方可通過(guò)通氣孔、集氣槽、節(jié)流孔而進(jìn)入到均壓槽和密封間隙內(nèi)。在運(yùn)行過(guò)程中，調(diào)節(jié)環(huán)可在外部機(jī)構(gòu)的控制下旋轉(zhuǎn)不同的周向角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集氣槽與節(jié)流孔的不同匹配，達(dá)到調(diào)控出氣模式的目的。

圖11 一種出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封靜環(huán)及調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Geometric structure of stator ring and adjust ring of a hydrostatic dry gas seal with adjustable exhaust mode

以徑向四列節(jié)流靜壓干氣密封為例，圖12示出了隨著調(diào)節(jié)環(huán)周向夾角變化時(shí)所呈現(xiàn)的出氣模式，圖中陰影部分區(qū)域表示集氣槽和對(duì)應(yīng)的節(jié)流孔重合。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，靜環(huán)和設(shè)于其上的節(jié)流孔始終不發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，而調(diào)節(jié)環(huán)和設(shè)于其上集氣槽發(fā)生周向偏轉(zhuǎn)。從圖中可看出，隨著調(diào)節(jié)環(huán)的周向旋轉(zhuǎn)，出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封先后呈現(xiàn)出8 種出氣模式，分別對(duì)應(yīng)出氣模式I=1000、1100、0100、0110、0010、0011、0001 和1001，其中模式1、3、5、7屬于徑向單列節(jié)流供氣，模式2、4、6 和8 屬于徑向雙列節(jié)流供氣。

圖12 不同調(diào)節(jié)環(huán)周向夾角對(duì)應(yīng)的靜壓干氣密封出氣模式Fig.12 Exhaust modes of hydrostatic dry gas seal with different circumferential angle of adjust ring

圖13 所示為八種出氣模式對(duì)應(yīng)的新型靜壓干氣密封開(kāi)啟力、內(nèi)泄漏率和耗氣量。從圖中可看出，不同出氣模式下的靜壓干氣密封表現(xiàn)出的開(kāi)啟力、內(nèi)泄漏率和耗氣量等穩(wěn)態(tài)性能各異。為獲得較大的密封開(kāi)啟力，建議取徑向雙列節(jié)流供氣模式，其中模式4 具有最大的開(kāi)啟力；隨著調(diào)節(jié)環(huán)周向角度增加，提供節(jié)流氣的節(jié)流孔位置逐漸向內(nèi)徑側(cè)移動(dòng)，故而引起內(nèi)泄漏率的不斷增加，而耗氣量基本只受節(jié)流孔列數(shù)的影響。若以最大密封開(kāi)啟力為目標(biāo)，并兼顧低內(nèi)泄漏率，建議選取出氣模式4；若以最小內(nèi)泄漏率為目標(biāo)，并兼顧較大開(kāi)啟力，建議選取出氣模式2；若以最小耗氣量為目標(biāo)，并兼顧較大密封開(kāi)啟力，則建議選取出氣模式5。由此可見(jiàn)，相較于經(jīng)典的單列節(jié)流靜壓干氣密封，所提出的出氣模式可調(diào)靜壓干氣密封可通過(guò)調(diào)節(jié)出氣模式以在較大密封開(kāi)啟力、低內(nèi)泄漏率和低耗氣量之間達(dá)到更好的平衡。

圖13 不同出氣模式對(duì)應(yīng)的靜壓干氣密封穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)Fig.13 Steady-state performance of hydrostatic dry gas seal with different exhaust modes

3 結(jié) 論

(1)徑向多列節(jié)流靜壓DGS 的開(kāi)啟力和氣膜剛度較單列節(jié)流供氣靜壓DGS 顯著提高，最大增幅分別為15%和25%，不過(guò)也會(huì)帶來(lái)內(nèi)泄漏率和耗氣量的增加?？拷鈴絺?cè)和內(nèi)徑側(cè)的雙列節(jié)流供氣靜壓DGS（I=101）在膜厚較小時(shí)具有最佳的氣膜剛度，而靠近外徑側(cè)和徑向中間的雙列節(jié)流供氣靜壓DGS（I=110）在膜厚較大時(shí)能在獲得較大開(kāi)啟力和氣膜剛度的同時(shí)兼具較低的內(nèi)泄漏率。

(2)提出一種出氣模式可調(diào)的靜壓干氣密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)靜環(huán)背部調(diào)節(jié)環(huán)周向角度的控制可實(shí)現(xiàn)不同出氣模式的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而滿足高氣膜承載力、低內(nèi)泄漏率和低耗氣量的功能需求。

符 號(hào) 說(shuō) 明

d——節(jié)流孔直徑,mm

h——?dú)饽ず穸?μm

hd——均壓槽深度,mm

I——節(jié)流孔供氣組合

kz——?dú)饽偠?N·μm-1

l——節(jié)流孔長(zhǎng)度,mm

N——節(jié)流孔個(gè)數(shù)

po,pi——分別為密封外徑壓力和密封內(nèi)徑壓力,MPa

ps——節(jié)流氣壓力,MPa

qi,qo,q——分別為密封內(nèi)泄漏率、外泄漏率、耗氣量,m3·s-1

r——節(jié)流孔位置半徑，mm

ri,ro——分別為密封端面內(nèi)、外徑，mm

w——均壓槽寬度，mm

下角標(biāo)

i——密封端面內(nèi)徑

o——密封端面外徑