陳如木，邱金水，劉伯運(yùn)

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

深潛器耐壓殼體電纜填料函間隙泄漏分析

陳如木，邱金水，劉伯運(yùn)

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

文章針對(duì)深潛器耐壓殼體電纜填料函間隙泄漏，建立填料函間隙泄漏模型，并進(jìn)行間隙泄漏量的理論分析；根據(jù)填料函泄漏量的影響因素，設(shè)計(jì)泄漏量正交仿真組，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)各試驗(yàn)組的填料函間隙泄漏模型進(jìn)行仿真分析，得出各仿真模型泄漏發(fā)生時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并計(jì)算出各模型的泄漏量。運(yùn)用矩陣分析法對(duì)各模型泄漏量進(jìn)行計(jì)算分析，得出各因素對(duì)泄漏量的影響權(quán)重。

電纜填料函；間隙泄漏；泄漏量；正交仿真試驗(yàn)；矩陣分析法

深潛器在一定深度航行時(shí)，其耐壓殼體及與之相連的電纜填料函直接和海洋環(huán)境相連接，電纜在海水壓力作用下容易發(fā)生軸向竄動(dòng)，密封填料和電纜之間粘性所形成的密封遭到破壞，而依靠形變產(chǎn)生的擠壓力不足以抵消外界海水壓力，從而造成泄漏的發(fā)生。另一方面，由于電纜填料函長(zhǎng)期與海水接觸，而海水具有很強(qiáng)的腐蝕性，填料函結(jié)構(gòu)中的填料及壓緊墊圈經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的海水腐蝕、外部環(huán)境變化等的影響，會(huì)發(fā)生老化、變形，從而影響其密封效果，對(duì)深潛器的安全造成一定的隱患。圖1為單根電纜的水密填料函結(jié)構(gòu)圖[1]。

1-電纜;2-壓緊螺母;3-填料函座;4-墊圈;5-填料;6-杯形管節(jié)中間凸臺(tái)。圖1 電纜水密填料函結(jié)構(gòu)圖

筆者通過(guò)建立泄漏理論模型及仿真模型對(duì)深潛器耐壓殼體電纜填料函間隙泄漏量進(jìn)行分析研究，該研究不僅理論描述電纜填料函泄漏發(fā)生發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而且提供海水的泄漏速率、泄漏量等許多有用的定量化信息，對(duì)電纜填料函新工藝設(shè)計(jì)的評(píng)估、電纜填料函泄漏堵漏方案設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 電纜填料函間隙泄漏模型建立及其理論分析

1.1間隙泄漏模型

建立電纜填料函環(huán)形間隙泄漏模型如圖2所示，該模型將流體介質(zhì)通過(guò)密封點(diǎn)處的泄漏簡(jiǎn)化為介質(zhì)通過(guò)內(nèi)徑為d,間隙高度為h,密封總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的環(huán)形間隙，h1為電纜與填料函座中間凸臺(tái)間隙，L1為填料長(zhǎng)度。模型內(nèi)表面為電纜的外表面，模型外表面為電纜填料的內(nèi)表面，中間凸起部分為填料函座凸臺(tái)與電纜外表面的間隙，模型長(zhǎng)度為兩電纜填料長(zhǎng)度與填料函座凸臺(tái)長(zhǎng)度之和。

圖2 電纜填料函環(huán)形間隙泄漏模型橫剖面圖

1.2泄漏模型理論分析

如圖2所示，海水在電纜填料函間隙中產(chǎn)生的流動(dòng)主要是由于間隙兩端壓力差造成的流動(dòng)。由于間隙大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他尺寸，可通過(guò)平板間隙模型對(duì)環(huán)形間隙中的流動(dòng)狀況和泄漏量進(jìn)行研究分析，故將環(huán)形間隙泄漏模型簡(jiǎn)化成如圖3所示。

圖3 環(huán)形間隙泄漏模型

可得環(huán)形間隙泄漏中海水速度v：

(1)

泄漏量Q[2]：

(2)

式中：h為環(huán)形間隙高度；D為電纜直徑；Δp為內(nèi)外壓差；y為間隙中某點(diǎn)距x軸的距離；L為密封總長(zhǎng)度；μ為動(dòng)力黏度。

但當(dāng)電纜在電纜填料函中處于偏心狀態(tài)時(shí)，如果使用上述理論模型進(jìn)行泄漏量的計(jì)算分析，并不能反應(yīng)真實(shí)的泄漏量，將會(huì)產(chǎn)生較大誤差。泄漏量在電纜偏心狀態(tài)下的修正公式：

(3)

式中：ε為偏心率(ε=e/h,e為偏心量)。

從式(3)可知，電纜填料函的間隙泄漏量與電纜直徑 、內(nèi)外壓差、間隙高度的三次方、偏心率的二次方成正比，與密封長(zhǎng)度成反比，因此從理論分析可知，間隙高度對(duì)間隙泄漏量影響最大。

2 間隙泄漏模型仿真及其結(jié)果分析

2.1泄漏仿真模型建立

在仿真過(guò)程中，由于要考慮電纜在電纜填料函中偏心的情況，所以所建立的泄漏仿真模型只能是三維模型，根據(jù)上述理論泄漏模型，并利用UG軟件建立如圖4所示的電纜填料函間隙泄漏仿真模型。對(duì)表2所述的16組正交試驗(yàn)依次建立對(duì)應(yīng)的仿真模型，每組模型的具體尺寸根據(jù)表1和表2而定。

圖4 電纜填料函環(huán)形間隙泄漏模型結(jié)構(gòu)圖

因素水平 A1/MPaA2直徑/mmA3長(zhǎng)度/mmA4高度/mmA5偏心率a1．512200．030b2．013220．050．2c2．514240．070．4d3．015260．090．6

2.2仿真方法

影響電纜填料函環(huán)形間隙泄漏量的變量因素很多，如海水壓力(深潛器下潛深度)、電纜直徑、密封長(zhǎng)度、間隙高度、電纜在填料函中的偏心度等等，為了能得出這些因素對(duì)電纜填料函間隙泄漏量的影響權(quán)重，且進(jìn)行較少的仿真次數(shù)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)本次仿真[3]。

對(duì)于本文的電纜填料函間隙泄漏量仿真，選定壓力、電纜直徑、密封長(zhǎng)度、間隙高度、電纜在填料函中的偏心度為泄漏量仿真的5因素，分別記作A1、A2、A3、A4、A5，各因素均取4個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1。

表2 正交試驗(yàn)表

試驗(yàn)總自由度計(jì)算如下：

f=fA1+fA2+fA3+fA4+fA5=(4-1)×5=15，

(4)

式中：fAi為因素Ai的自由度，等于水平數(shù)減 1。

所以正交表的總自由度不能小于15，可以選用L16(45)正交表進(jìn)行正交仿真設(shè)計(jì)。正交仿真試驗(yàn)以電纜填料函間隙泄漏量為指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表如表2所示，僅有16組仿真，但卻能全面反映各個(gè)因素對(duì)泄漏量的影響情況。

2.3電纜填料函間隙泄漏仿真試驗(yàn)分析

本文采用STAR-CCM對(duì)電纜填料函間隙的泄漏特性及泄漏量進(jìn)行仿真分析[4]，并將各組泄漏量仿真結(jié)果記錄于表2。仿真時(shí)，入口處選用壓力入口邊界條件，選用壓力出口作為出口的邊界條件。間隙中的海水流動(dòng)模型為湍流模型。

2.3.1 環(huán)形泄漏模型流場(chǎng)分析

以第15組為例分析環(huán)形泄漏模型壓力分布及出口速度矢量分布[5]。圖5 中，由壓力云圖可知，從入口到出口間隙中的壓力逐漸下降并均勻遞減，這是因?yàn)楹Ｋ陂g隙流動(dòng)的過(guò)程中，有部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?。但是凹槽?nèi)壓力并沒(méi)有下降，與凹槽入口處壓力相等，這主要是因?yàn)榘疾蹆?nèi)流體的跡線發(fā)生改變，在槽內(nèi)形成渦流，使得流體的動(dòng)能更多地以熱能耗散掉，形成壓力內(nèi)能，減小了凹槽前后的壓差。由出口速度矢量圖可知，位于出口兩壁面間隙的中間位置的速度在16.139～16.751 m/s范圍內(nèi)變化，可以看出中間位置的速度基本保持不變，這主要是因?yàn)榈?5組為同心泄漏模型，各位置的間隙高度為一定值。

圖5 第15組仿真結(jié)果圖

2.3.2 偏心泄漏模型流場(chǎng)分析

以第16組為例分析偏心泄漏模型壓力分布及出口速度矢量分布[5]。圖6中，由壓力云圖可知，從入口到出口間隙中壓力仍均勻遞減，但壓力在寬間隙較窄間隙遞減速率慢，凹槽內(nèi)壓力仍與凹槽入口處壓力相等；由出口速度矢量圖可知，第16組偏心泄漏模型的出口速度在9.422～15.566 m/s范圍內(nèi)變動(dòng)，出口最大速度位于寬間隙一邊的最中間位置，出口速度較小的區(qū)域位于窄間隙一邊的區(qū)域，這主要是因?yàn)殡娎|與填料間的間隙大小不等，間隙較大的一邊，流體能夠得到充分流動(dòng)，故流體速度較大，而間隙較小的一邊，兩壁面幾乎接觸，間隙間的流體受壁面摩擦力影響，不能充分流動(dòng)，流速小，所以模型出口速度矢量會(huì)出現(xiàn)如此分布。

(a)壓力云圖 (b)出口速度矢量圖圖6 第16組仿真結(jié)果圖

2.4電纜填料函間隙泄漏量仿真結(jié)果分析

電纜填料函間隙泄漏量仿真結(jié)果分析采用正交試驗(yàn)分析方法中的矩陣分析法[3]。正交仿真試驗(yàn)的目的就是尋找影響泄漏因素之間的主次順序,也就是得出各因素各水平對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果的影響大小——影響權(quán)重。直觀分析法和方差分析法只能得出各因素對(duì)泄漏量的影響權(quán)重，卻得不到因素各水平

對(duì)泄漏量的影響權(quán)重。然而利用矩陣分析法對(duì)正交仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,不僅能得到因素對(duì)泄漏量的影響大小,也能得出因素各水平對(duì)泄漏量的影響權(quán)重。

因素Ai的第j水平下的泄漏仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)之和為Kij，稱為因素Ai的第j水平對(duì)仿真試驗(yàn)的影響效應(yīng)(i=1,2,3,4,5;j=a,b,c,d)。在間隙泄漏仿真試驗(yàn)中，雖然泄漏量越小越好，但為了直觀的看出各因素各水平對(duì)泄漏量的影響權(quán)重大小，令Mij=Kij。稱A為各水平對(duì)仿真試驗(yàn)影響效應(yīng)矩陣。記

稱C為因素Ai對(duì)試驗(yàn)泄漏量的影響權(quán)重矩陣。

由矩陣分析法得因素Ai各水平對(duì)泄漏量的影響權(quán)重為ω=ASCT。

故在電纜填料函間隙泄漏仿真試驗(yàn)中，當(dāng)壓力為3 MPa、電纜直徑為14 mm、密封長(zhǎng)度為20 mm、間隙高度為0.09 mm、電纜偏心率為0.6時(shí)，泄漏仿真模型的泄漏量最大。且由結(jié)果分析可知，各個(gè)因素對(duì)泄漏量的影響度的主次順序?yàn)锳4(間隙高度)gt;A1(壓力)gt;A3(密封長(zhǎng)度電纜直徑)gt;A5(電纜在填料函中的偏心率)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所討論的電纜填料函間隙泄漏仿真模型只是一種理想的形態(tài),實(shí)際的泄漏模型要復(fù)雜得多，電纜填料函除了發(fā)生間隙泄漏外，亦有極大的可能

發(fā)生滲透泄漏，即海水以分子形式通過(guò)填料間隙滲入艙內(nèi)，因此電纜填料函的滲透泄漏是我們下一步研究的重點(diǎn)。影響填料函間隙泄漏量的因素也很多，除了電纜周長(zhǎng)、間隙高度、密封長(zhǎng)度、電纜偏心外,還有一些因素如海水溫度、電纜在填料函中的傾斜度等也會(huì)對(duì)泄漏流量產(chǎn)生影響，需要我們對(duì)這些未考慮的因素作進(jìn)一步的研究與探索。

[1]曹文忠.船舶電纜專用通道密封工藝的方法與應(yīng)用[J].中國(guó)修船，2013，26(2)：28-30．

[2] 周梓榮，彭浩舸，曾曙林.環(huán)形間隙中泄漏流量的影響因素研究[J]． 潤(rùn)滑與密封，2005，30(1) ： 7-9．

[3] 楊秀峰.水壓環(huán)形間隙泄漏特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D].華中科技大學(xué)，2012.

[4] 侯煜.基于 CFD 環(huán)形間隙泄漏量及摩擦力的仿真計(jì)算[D]．太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．

[5] 蔣俊.間隙密封液壓缸泄漏量仿真分析[J]. 潤(rùn)滑與密封,2013，38(7)：75-79．

To solve the clearance leakage of cable stuffing,a leakage model of clearance leakage is established and a theoretical analysis is given to the leakage amount of the model.Orthogonal experiment groups are designed according to the factors of clearance leakage，the leakage model of each experiment is analyzed by computation al fluid dynamics method with the dynamic courses gained and the leakage amount calculated.Every leakage amount is analyzed through matrix,which shows the influencial impact for various factors.

cable stuffing;clearance leakage;leakage amount;orthogonal experiment;matrix analysis

陳如木(1990-)，男，福建大田人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榕炌О踩夹g(shù)。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.008

2015-01-15