趙 星,劉美紅,李 鑫,許冬偉

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引言

氣膜密封作為一種新的密封形式,在很多方面都發(fā)揮了無可替代的作用,其自身具有的泄漏少、能耗低、壽命長、低磨損及可靠性高等優(yōu)點[1-2],在大型機械工程上解決了很多難題,尤其在飛機空氣循環(huán)機、微型燃?xì)廨啓C以及渦輪發(fā)電機等設(shè)備中廣泛應(yīng)用[3-4]。

目前氣膜密封研究有端面氣膜密封和柱面氣膜密封[5],端面氣膜密封起步早于柱面氣膜密封,端面氣膜密封已經(jīng)可以在石油化工、機械、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用[6-7]。目前,面對航空發(fā)動機較為苛刻又復(fù)雜的工作環(huán)境,尤其在高界面滑速、高邊界壓差以及高環(huán)境溫度的工作條件下,密封腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會發(fā)生徑向跳動、熱變形以及密封副磨損,因自身結(jié)構(gòu)的局限性,端面氣膜密封已經(jīng)無法滿足該工作條件[8]。隨著探求應(yīng)用氣膜密封的研究與開發(fā)工作的展開,科研人員提出了一種新型的氣膜密封,即柱面氣膜密封,相較于端面氣膜密封具有較高的徑向柔性,在航空發(fā)動機苛刻又復(fù)雜的“三高”的工況下,柱面氣膜密封可以很好地解決轉(zhuǎn)子系統(tǒng)劇烈振動和熱變形以及較大的徑向跳動和軸向跳動的問題[9]。因此,Mayhew等[10]提出了一種新式密封,即柔順軸密封,研究了柱面氣膜密封系統(tǒng)的性能。Bahukudumbi等[11]等通過對浮環(huán)結(jié)構(gòu)進行開槽設(shè)計,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):開槽結(jié)構(gòu)的密封性能優(yōu)于無槽結(jié)構(gòu)。因此,在密封元件上開槽也具有很大的研究價值[12-13],目前常見的有T型槽、一字槽、螺旋槽[14]等。丁雪興等[15]采用3D光纖激光對旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)表面微刻流線型斜槽、矩形槽和優(yōu)化后的矩形槽、流線型斜槽,分析柱面氣膜密封泄漏率的前后變化。蘇澤輝等[16]對T型槽進行了數(shù)值計算分析,研究了T型槽柱面氣膜密封性能。王婷等[17]進行了一字槽柱面氣膜密封的仿真分析,得到了最優(yōu)的一字槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)。俞樹榮等[18]分析了螺旋槽柱面氣膜和無槽柱面氣膜的流場仿真結(jié)果,并與實驗進行對比驗證,結(jié)果表明:螺旋槽氣膜動壓效果更好、泄漏率更小。丁雪興等[19]建立了在考慮滑移邊界條件下的微尺度效應(yīng)穩(wěn)態(tài)柱面雷諾方程,獲得了密封氣膜壓力的近似解,分析了螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)密封氣膜壓力的影響。張然等[20]建立了柱面氣膜多頻橢圓渦動靜力與動力特性求解模型,研究了螺旋槽對密封氣體的泵吸效應(yīng)和流體動壓效應(yīng)。隨著航空轉(zhuǎn)子系統(tǒng)日益復(fù)雜的工作環(huán)境,氣膜密封技術(shù)的應(yīng)用也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

目前,柱面氣膜密封槽型結(jié)構(gòu)類型很多,各種槽型柱面氣膜密封性能優(yōu)劣還未做過研究對比。本文針對柱面氣膜密封的密封特性,利用CFD仿真分析軟件,對螺旋槽、T型槽以及一字槽柱面氣膜密封3種結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算,對在不同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)下3種槽型結(jié)構(gòu)的浮升力、泄漏率、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜剛度等密封特性參數(shù)進行研究分析。

1 理論模型

1.1 幾何模型

圖1為柔性柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)示意圖,由轉(zhuǎn)子、浮環(huán)和柔性外支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于轉(zhuǎn)子與浮環(huán)安裝時存在偏心,因此,轉(zhuǎn)子和浮環(huán)存在收斂楔形間隙。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時,在收斂楔形間隙里會產(chǎn)生動壓效應(yīng),形成一定剛度的氣體膜,使得轉(zhuǎn)子和浮環(huán)相互分離,保持非接觸的相對動態(tài)平衡狀態(tài),達(dá)到氣體潤滑的目的。圖2為3種槽型氣膜幾何結(jié)構(gòu)示意圖。柱面氣膜密封主要結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。

表1 柱面氣膜密封主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 柔性柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 3種槽型的幾何結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 密封特性參數(shù)

柱面氣膜密封的泄漏率Q、氣膜浮升力F、摩擦力矩M以及氣膜剛度K是評價密封特性的關(guān)鍵參數(shù),其計算公式分別如下:

泄漏率Q計算公式為:

(1)

式中:Rj為動環(huán)半徑;p為氣膜壓力;θ為密封周向角度;h為平均氣膜厚度。

浮升力F計算公式為:

(2)

式中:Fr為氣膜徑向壓力;Ft為氣膜軸向壓力;F為浮升力合力。

摩擦轉(zhuǎn)矩M計算公式為:

(3)

式中:η為動力黏度;ω為轉(zhuǎn)子角速度;氣膜剛度K計算公式為

(4)

1.3 計算模型假設(shè)

1) 假設(shè)流體氣膜符合牛頓粘性原理的均勻連續(xù)的介質(zhì);

2) 氣膜與轉(zhuǎn)子及浮環(huán)界面接觸無相對滑移;

3) 忽略流體的慣性力和體積力對流場的影響;

4) 忽略流場內(nèi)溫度升高對流體粘度的影響;

5) 不考慮擾動對流場密封界面的影響。

1.4 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

由于氣膜的平均厚度一般為幾十微米,網(wǎng)格精度要求相對較高,仿真結(jié)果也會因為網(wǎng)格劃分質(zhì)量而受影響,因此,本文采用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件ANSA處理氣膜網(wǎng)格,ANSA軟件在模型中幾何清理及修復(fù)中有很大優(yōu)勢,處理這種微米尺寸跨度較大的氣膜模型也有著很大的優(yōu)勢。圖3為柱面氣膜密封的氣膜網(wǎng)格劃分示意圖,采用正交性較好的六面體網(wǎng)格,在氣膜徑向厚度方向網(wǎng)格都劃分為5層,使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。圖3(a)為整體網(wǎng)格,圖3(b)為局部網(wǎng)格。

圖3 柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

圖4所示為3種槽型柱面氣膜密封在壓差為0.2 MPa、轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、偏心率為0.5工況下,不同網(wǎng)格數(shù)量對泄漏率的影響。綜合考慮數(shù)值仿真模擬時計算效率和工作量的問題,本文采用的螺旋槽網(wǎng)格數(shù)量為430 458,T型槽網(wǎng)格數(shù)量為476 480,一字槽網(wǎng)格數(shù)量為500 800。

圖4 網(wǎng)格獨立性檢驗結(jié)果曲線

1.5 邊界條件及求解器設(shè)定

進口邊界設(shè)置為壓力入口,出口邊界設(shè)置為壓力出口,內(nèi)壁面設(shè)置為動壁面Moving-wall,外壁面設(shè)置為靜壁面Stationary-wall。選用層流流動模型,求解器采用SIMPLE算法,控制方程采用二階迎風(fēng)離散格式。柱面氣膜密封工況參數(shù)如表2所示。

表2 柱面氣膜密封工況參數(shù)

1.6 數(shù)值模型驗證

為驗證本文提出的3種槽型柱面氣膜密封數(shù)值模型的正確性,在不同壓差下對3種槽型柱面氣膜密封泄漏率進行驗證,并與參考文獻(xiàn)[16]中的數(shù)值進行對比,結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,本文仿真模擬計算出的壓差與泄漏率關(guān)系圖與文獻(xiàn)中的基本一致,都是上升的趨勢,本文計算出的一字槽、T型槽、螺旋槽柱面氣膜在壓差0.6 MPa時的泄漏率是0.1 MPa時的4.55倍、4.07倍和5.29倍,參考文獻(xiàn)[16]在壓差0.6 MPa時的泄漏率是0.1 MPa時的3.91倍,上升趨勢很接近。由此可見,本文的仿真模擬計算方法具有較好的準(zhǔn)確性,可用于后文柱面氣膜密封的數(shù)值計算。

圖5 模型數(shù)值驗證曲線

2 3種柱面氣膜靜壓分布

圖6是3種槽型的氣膜靜壓分布云圖。從圖6(a)、(b)、(c)中可知,3種槽型結(jié)構(gòu)的工作條件保持一致,當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸在高速旋轉(zhuǎn)時,由于旋轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)偏心安裝,兩者之間產(chǎn)生楔形間隙,導(dǎo)致間隙中的氣膜周向分布不均,產(chǎn)生了明顯的流體動壓效應(yīng),氣體沿軸向從密封間隙的壓力入口流向壓力出口,壓力迅速增大,在最小膜厚處流體動壓效果明顯,出現(xiàn)高壓區(qū)。其中頂部最高壓力一字槽為0.574 MPa、T型槽為0.566 MPa、螺旋槽為0.413 MPa,高壓入口的壓力為0.3 MPa,3種槽型結(jié)構(gòu)的最高壓力比入口壓力分別增大約91%、88%、37%。

圖6 3種槽型結(jié)構(gòu)的氣膜靜壓分布云圖

從圖6中3種槽型結(jié)構(gòu)的靜壓分布等值線圖可知,螺旋槽結(jié)構(gòu)受力均勻,較優(yōu)于一字槽和T型槽槽型結(jié)構(gòu),這是由于螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的30°螺旋角的設(shè)計,在旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時,可以更好地將氣體帶入密封間隙中,氣體更容易沿軸向方向從壓力入口到壓力出口,每個槽都有受力,氣膜受力更均勻,浮環(huán)的受力也更穩(wěn)定,使得螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)密封效果更好。

3 操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響

3.1 轉(zhuǎn)速對密封性能的影響

控制轉(zhuǎn)速n為5 000～50 000 r/min,保持壓差ΔP為 0.1 MPa,出口壓力Po為0.1 MPa、偏心率e為 0.5,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)條件不變。如圖6所示為一字槽、T型槽和螺旋槽柱面密封的泄漏率、浮升力、摩擦轉(zhuǎn)矩和氣膜剛度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

從圖7中可知,隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大,3種槽型結(jié)構(gòu)的泄漏率都處于下降趨勢,一字槽和T型槽槽型結(jié)構(gòu)泄漏率平緩下降,變化量較小,這是由于轉(zhuǎn)速增大,流體動壓效應(yīng)增大,而同時一字槽和T型槽的剪切流增強,導(dǎo)致能量消耗上升,受這兩方的影響,一字槽和T型槽的泄露率基本保持不變,而螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)泄漏率呈線性下降,轉(zhuǎn)速為 50 000 r/min時的泄漏率是5 000 r/min時的1/10,這是由于螺旋槽特殊的螺旋槽形隨轉(zhuǎn)速增大流體動壓效應(yīng)增強,使得螺旋槽的動壓效應(yīng)優(yōu)于其他槽型。另外,從圖7(a)可知,螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的泄漏率明顯少于一字槽和T型槽槽型結(jié)構(gòu),螺旋槽的密封性能優(yōu)于一字槽和T型槽。圖7(b)、(c)顯示:隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大,3種槽型結(jié)構(gòu)的浮升力和摩擦轉(zhuǎn)矩也隨之增大,這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增大,3種槽型結(jié)構(gòu)受楔形效應(yīng)與動壓效應(yīng)的協(xié)同作用,使浮升力和摩擦轉(zhuǎn)矩也不斷增加。圖7(d)顯示為隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大,一字槽、T型槽和螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的氣膜剛度下降,這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加,氣體受槽壩區(qū)的影響,氣體進入槽型中受阻增大,即泄漏氣體軸向流速降低導(dǎo)致泄漏率降低,而氣體受阻力增加,導(dǎo)致非壩區(qū)氣膜壓力下降,致使氣膜剛度隨之降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速從30 000 r/min繼續(xù)增加時,一字槽結(jié)構(gòu)氣膜剛度開始增強,而當(dāng)轉(zhuǎn)速從35 000 r/min繼續(xù)增加時,T型槽結(jié)構(gòu)氣膜剛度也開始增強,增幅分別為10.7%和23.9%,這是由于氣體受阻力減小,非壩區(qū)壓力增大,使氣膜剛度變大。

圖7 轉(zhuǎn)速對3種槽型結(jié)構(gòu)密封性能的影響曲線

3.2 壓差對密封性能的影響

控制壓差ΔP為0.1～1 MPa,保持轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,出口壓力Po為0.1 MPa,偏心率e為0.5,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)條件不變。圖8所示為一字槽、T型槽和螺旋槽柱面密封的泄漏率、浮升力、摩擦轉(zhuǎn)矩和氣膜剛度隨壓差的變化規(guī)律。

圖8 壓差對3種槽型結(jié)構(gòu)密封性能的影響曲線

由圖8可知,隨著壓差增大,3種槽型結(jié)構(gòu)的泄漏率、浮升力和氣膜剛度都增大,摩擦轉(zhuǎn)矩變化量較小。從圖8(a)中可見,壓差從0.1～0.8 MPa,3種槽型結(jié)構(gòu)的泄露率都呈線性增長了15倍左右,符合泄漏率的理論變化,這是由于壓差逐漸增大導(dǎo)致軸向氣流流速增大,氣體所受阻力下降,密封間隙中的壓力也主要以流體動壓力為主,氣體沿著軸向方向流動,使得軸向壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向壓力。壓差從0.8 MPa增大至1 MPa時,3種槽型結(jié)構(gòu)的泄露率增幅變大,這是由于隨著進口壓力增大,在大壓差下,密封腔內(nèi)的氣體做功能力變強,流體內(nèi)的氣體流動速度增加,可見螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的泄漏率小于一字槽和T型槽槽型結(jié)構(gòu),螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)密封性能較優(yōu)。從圖8(b)、(c)可知,隨著壓差逐漸增大,密封間隙中主要以流體動壓為主,流體動壓增大,浮升力也逐漸增大;氣體沿著軸向方向流動,當(dāng)至槽底時,槽底也逐漸升壓,逐漸達(dá)到一個平衡狀態(tài),使得浮環(huán)受阻減小,摩擦轉(zhuǎn)矩變化量也就很小。從圖8(d)中可見,隨著壓差逐漸增大,密封間隙中也主要以流體動壓壓力為主,浮升力逐漸增大,3種槽型結(jié)構(gòu)氣膜剛度也逐漸增大,其中螺旋槽槽型的氣膜剛度增幅最大,在1 MPa時的氣膜剛度是0.1 MPa的7.4倍左右,這是由于螺旋槽的螺旋結(jié)構(gòu),密封間隙里的氣體被螺旋槽的螺旋帶動下做周向運動,只存在少量氣體在周向流動時發(fā)生周向偏移,氣膜剛度隨著壓差的增大,氣膜剛度增幅較大,從圖8(d)中可見,螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的氣膜剛度遠(yuǎn)大于一字槽和T型槽槽型結(jié)構(gòu),螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)密封性能較優(yōu),密封效果更好。

3.3 偏心率對密封性能的影響

控制偏心率e為0.3～0.7,保持轉(zhuǎn)速n為 10 000 r/min、壓差ΔP為0.1 MPa,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)不變。圖9所示為一字槽、T型槽和螺旋槽柱面密封的泄漏率、浮升力、摩擦轉(zhuǎn)矩和氣膜剛度隨偏心率的變化規(guī)律。

圖9(a)、(b)顯示:隨著偏心率增加,3種槽型結(jié)構(gòu)的泄漏率和浮升力逐漸增大,變化量較小,這是由于偏心率增大,密封間隙中的氣體膜厚也變小,楔形間隙和動壓效應(yīng)也增大,流體的流量和流速增大,使得泄漏率和浮升力也增加,可見螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的密封性能優(yōu)于一字槽和T型槽槽型結(jié)構(gòu)。從圖9(c)可知,隨著偏心率增加,一字槽槽型結(jié)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩逐漸增大,而一字槽和螺旋槽槽型結(jié)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩先減小后趨于平緩,這是由于密封腔內(nèi)楔形間隙變小,流體動壓效應(yīng)增強,使得摩擦轉(zhuǎn)矩降低;當(dāng)偏心率從0.5升至0.6時,螺旋槽型的摩擦轉(zhuǎn)矩急劇下降,偏心率在0.6的摩擦轉(zhuǎn)矩是0.5時的1/6,這是由于螺旋槽槽形有更好的泵吸效應(yīng)和擠壓作用,氣體不斷聚集在槽根部,使得槽根處有更加明顯的動壓效應(yīng),摩擦轉(zhuǎn)矩之后趨于平衡,是由于螺旋槽特殊的槽型形狀,流體穩(wěn)定在密封間隙中流動,浮環(huán)處于一個平衡狀態(tài),使得摩擦轉(zhuǎn)矩先減小后趨于平緩。由圖9(d)可知,隨著偏心率的增加,密封間隙減小,浮升力逐漸增大,變化量較小,3種槽型結(jié)構(gòu)的氣膜剛度也逐漸增大,密封效果也變得更好。

4 結(jié)論

1) 相同的工況下,3種結(jié)構(gòu)柱面密封數(shù)值模擬的泄漏率隨偏心率的變化較小,而轉(zhuǎn)速和壓差導(dǎo)致泄漏率變化明顯。壓差增大會引起柱面氣膜密封泄漏率增大,轉(zhuǎn)速增大引起3種結(jié)構(gòu)柱面氣膜密封泄漏率發(fā)生不同的變化,其中一字槽和T型槽結(jié)構(gòu)柱面氣膜密封的泄漏率變化量較小,螺旋槽結(jié)構(gòu)泄漏率隨轉(zhuǎn)速增大,呈線性下降。這是由于螺旋槽特殊的螺旋形結(jié)構(gòu),密封氣體在螺旋結(jié)構(gòu)的作用下,螺旋槽槽型的泵吸效應(yīng)和擠壓作用優(yōu)于一字槽和T型槽,動壓效果更好,具有更好的密封性能。

2) 偏心率變化對氣膜密封影響不大,轉(zhuǎn)速和壓差變化對氣膜密封性能影響較大,當(dāng)轉(zhuǎn)速在25 000 r/min左右,壓差在0.5 MPa左右時,螺旋槽柱面氣膜密封的各項密封性能參數(shù)均較好。