閆冬, 王博文

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 引言

我國直升機研制經過幾十年的發(fā)展，已取得了一定的成績。隨著直升機數量和應用的增多，直升機主減速器在臺架試車和外場使用過程中漏油故障呈增多趨勢。漏油會導致潤滑油損耗、污染機艙設備等問題，其頻發(fā)的主要故障模式為徑向石墨密封磨損掉渣或回彈力減弱[1]。徑向密封由分塊的石墨密封環(huán)組成，由箍緊彈簧實現石墨塊內徑與被密封軸外徑的緊度配合達到徑向密封，由波形彈簧實現兩層石墨塊之間的壓緊達到端面密封。石墨密封的封嚴效果較好，適合于高溫、高壓、高速條件下使用。其特點是在工作初期可能會因石墨塊與軸的曲率不完全一致產生輕微漏油，在磨合一段時間后會達到較好的密封效果，在長期靜止狀態(tài)下會有少量的滲漏。

數值模擬能夠將密封裝置內的流場可視化，有助于分析研究動密封的泄漏原理。國內外學者對于密封泄漏的研究，多是對端面密封或唇型密封圈的密封性能研究，然而對徑向石墨密封的泄露機制研究較少。本文采用標準二維k-ε模型[2]，基于FLUENT技術研究了某徑向石墨密封在不同間隙、不同壓比下的泄漏特性，得到了徑向石墨密封在不同工況下的泄漏量，并調節(jié)徑向石墨密封分塊數量，比較特定工況時不同塊數下密封裝置泄漏量的變化，建立了徑向石墨密封泄漏量隨間隙、壓比等參數的變化曲線，得到了徑向石墨密封泄漏量與密封環(huán)塊數的關系，為不同工況下對徑向石墨密封的結構選擇提供指導。

1 FLUENT模擬條件及流體模型

徑向石墨密封內部流體的流動過程可以近似看成標準的二維穩(wěn)態(tài)湍流流動[3]?？紤]到徑向石墨密封的密封間隙小及潤滑油的粘性，在計算時采用通用標準的k-ε模型。直升機減速器內使用的潤滑油的動力粘度為0.44kg/(m·s)[4]。計算模型的右端面為流體入口端，根據工況給定壓值，計算模型的左端面為流體出口端，壓值為大氣壓，進出口壓差是衡量密封效果好壞的重要指標，一定范圍內差值越大往往說明密封效果越好。計算時采用的各項收斂因子均為0.2。

以某型號直升機減速器徑向石墨密封裝置為研究對象，計算模型為石墨環(huán)潤滑油泄漏通道，密封區(qū)域如圖1所示，密封環(huán)外環(huán)直徑為67 mm，內環(huán)直徑為48 mm，單個密封環(huán)的厚度為5 mm，其二維結構的計算網格可采用ANSYS Workbench自動生成。建立二維模型時，為減小計算量和迭代次數，在厚度較小的間隙處進行網格局部加密，其他區(qū)域做簡化處理，徑向石墨密封計算域二維結構的計算網格如圖2所示。

圖2 流體模型有限元網格

2 間隙大小的影響

2.1 計算模型

根據該直升機減速器的典型密封結構可知，密封環(huán)由分塊的雙層石墨密封環(huán)組成，每塊密封環(huán)之間都有間隙，對于密封塊豁口間隙為2 mm的徑向密封環(huán)，分別選取了徑向間隙為0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm的不同尺寸的徑向石墨密封結構，對于徑向間隙為0.15 mm的密封環(huán)，分別選取密封塊豁口間隙為1 mm、1.5 mm、2 mm的不同尺寸的徑向石墨密封結構，模擬了在7個壓比(1.5、1.67、1.84、2、2.5、3、3.5)下密封裝置內部的流場[5]。

2.2 結果分析

由FLUENT計算的密封裝置泄露量隨徑向石墨密封環(huán)和被密封軸的徑向間隙的變化曲線如圖3所示。根據計算數據及泄漏量隨間隙大小的關系曲線可知，相同工況下，徑向間隙越大，泄漏量越大，且泄漏量的增大有加快的趨勢。

圖3 不同壓比下泄漏量隨徑向間隙變化曲線

由FLUENT計算的密封裝置泄露量隨徑向石墨密封環(huán)豁口間隙的變化曲線如圖4所示，根據計算數據及泄漏量隨間隙大小的關系曲線可知，相同工況下，豁口間隙越大，泄漏量越大，且泄漏量的增大有減慢的趨勢。

圖4 不同壓比下泄漏量隨豁口間隙變化曲線

3 壓比大小的影響

3.1 計算模型

在計算流體模型泄漏量時需要模擬不同的工況，而內外壓差比是工況中一個重要的參數，直升機減速器徑向石墨密封裝置外部壓強一般認為是大氣壓，通過調節(jié)內部壓強，分別設置壓比的值為1.5、1.67、1.84、2、2.5、3、3.5，計算密封裝置不同工況下的流場及泄漏量。選取的徑向石墨密封裝置結構如下幾種：徑向間隙為0.15 mm、豁口間隙為2 mm，徑向間隙為0.1 mm、豁口間隙為2 mm，徑向間隙為0.05 mm、豁口間隙為2 mm，徑向間隙為0.15 mm、豁口間隙為1.5 mm，徑向間隙為0.15 mm、豁口間隙為1 mm，共5種不同的密封結構。

3.2 結果分析

由FLUENT計算的密封裝置泄露量隨壓比的變化曲線如圖5所示，可知對于不同結構的徑向石墨密封，隨著壓比的增大，泄漏量均近似呈線性增加。

圖5 不同結構泄漏量隨壓比變化曲線

4 軸橢圓度的影響

4.1 計算模型

在實際加工條件下，被密封軸會產生橢圓度，圓軸的橫截面上存在著外徑不等的現象，即存在著不一定互相垂直的最大外徑和最小外徑，則最大外徑與最小外徑之差與外徑的比值即為橢圓度，即橢圓度=(最大外徑-最小外徑)/標稱外徑×100%。當被密封軸截面不是標準圓時，軸與徑向密封環(huán)的裝配將存在一定的間隙，如圖6所示，這部分間隙會對徑向密封環(huán)的效果產生影響[6]。為了研究被密封軸橢圓度對徑向石墨密封特性的影響，設定被密封軸截面為標準橢圓，其長軸半徑為23.9mm，分別計算被密封軸截面短軸半徑為23.6mm、23.7mm、23.8mm時徑向石墨密封裝置的泄漏量。

圖6 軸的橢圓度引起的間隙示意圖

4.2 結果分析

由FLUENT計算得到的泄漏量隨被密封軸橢圓度的變化曲線如圖7所示。

圖7 泄漏量隨被密封軸橢圓度的變化曲線

由計算結果可知，在不同工況下，隨著被密封軸橢圓度增大，密封裝置泄漏量也呈增大趨勢，且內部流體壓強越大泄漏的增加越明顯。

5 分塊數量的影響

5.1 計算模型

徑向石墨密封環(huán)在工作狀態(tài)下會與被密封軸有摩損，由箍緊彈簧實現石墨塊磨損后的徑向補償，從而達到徑向密封，而徑向石墨密封環(huán)若為一整個圓環(huán)則磨損后不能實現徑向補償，因此徑向密封由分塊的石墨密封環(huán)組成。一般來說，分塊數目越多，被密封軸與石墨密封環(huán)的間隙就越小,對轉子偏心導致的壓力波動會有很好的削弱作用[7]。直升機減速器動密封使用的徑向石墨密封環(huán)多為雙層2塊石墨半環(huán)與被密封軸配合構成，分別設置密封環(huán)塊數為2和3，2塊密封環(huán)與被密封軸的徑向間隙為0.3mm，3塊密封環(huán)與被密封軸的徑向間隙為0.2mm，分別建立如圖8所示的三維流體網格模型進行泄漏量計算。

圖8 3塊密封環(huán)時流體有限元網格

5.2 結果分析

由FLUENT計算得到的密封裝置內流體壓力場圖像如圖9(a)、圖9(b)所示，可知流體入口端壓力最大，隨著流體的泄露，壓力逐漸減小，在流體出口位置流體壓強接近外界大氣壓，這說明了計算結果的正確性。

圖9 流體壓力場

密封圈分塊數目分別為2和3時密封裝置的泄漏量的對比如圖10所示，由圖像可看出，2條密封特性曲線的重合度較高，可知密封圈的分塊數目對徑向石墨密封的封嚴效果影響不大。

圖10 不同壓比下密封環(huán)分為2塊、3塊時泄漏量

6 結語

1) 由數值計算結果可知，徑向石墨密封環(huán)的封嚴效果受徑向間隙、密封塊豁口間隙、被密封軸橢圓度影響較大，密封環(huán)分塊數目對密封裝置的密封性能影響不大。

2) 在不同壓比下，間隙或橢圓度越大，封嚴效果越差，而流體內外壓比的增加會加大這些因素對密封性能的影響。

3) 為了減小直升機減速器工作過程中的潤滑油泄漏，應該減小安裝徑向間隙，并選取豁口間隙較小的密封環(huán)，同時進行被密封軸的橢圓度檢查。

參考文獻:

[1] 張棟，李權. 發(fā)動機石墨密封環(huán)失效分析[J]. 失效分析與預防， 2006,1(2):56-60.

[2] 魯周勛, 謝友柏，丘大謀. 迷宮密封中流場的有限差分模擬[J]. 應用力學學報,1992,9(3): 87-92.

[3] 巴鵬,李旭，任希文，等. 基于FLUENT技術的迷宮密封泄漏量分析[J]. 沈陽理工大學學報,2011,30(2): 8-11.

[4] 陳才連. 5W30/5W20機油油品特性對發(fā)動機性能的影響研究[D]. 南寧：廣西大學,2014.

[5] 楊慧棟. 直升機主減速器潤滑系統(tǒng)設計方法與性能仿真研究[D]. 長沙：中南大學,2013.

[6] 倉榮, 張江，王瓊，等. 平動回轉壓縮機徑向間隙泄漏的研究與分析[J]. 壓縮機技術，2015(3): 6-11.

[7] 呂成龍. 反旋流技術及石墨密封技術研究[D]. 北京：北京化工大學,2014.