晨屹

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械與海洋工程學(xué)院 江蘇連云港 222005；2.江蘇省海洋資源開(kāi)發(fā)研究院江蘇連云港 222005；3.南京天一航空科技有限公司 江蘇南京 210012)

干氣密封的低磨損、長(zhǎng)壽命特點(diǎn)使其應(yīng)用范圍日趨廣泛[1]，但受加工水平的制約，干氣密封槽底面精度一般只能達(dá)到0.8 μm，與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封副間膜厚僅差1個(gè)數(shù)量級(jí)，在啟動(dòng)或停車階段甚至為同一數(shù)量級(jí)，因此干氣密封的研究必須考慮表面粗糙度的影響[2-3]。1978年，PATIR和CHENG[4]提出“平均流動(dòng)模型”的概念，通過(guò)引入流量因子表征粗糙度建立了PATIR-CHENG模型，為研究表面粗糙度的潤(rùn)滑效應(yīng)提供了重要手段。此后ELROD[5]、TRIPP[6]、TONDER[7]、HU和ZHENG[8]、MAKINO等[9]對(duì)PATIR-CHENG模型進(jìn)行了持續(xù)研究和完善。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)也做了較多開(kāi)創(chuàng)性工作。彭旭東教授團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明：端面不同區(qū)域的表面粗糙度對(duì)密封性能影響規(guī)律差異較大，且轉(zhuǎn)速的影響不可忽視[10]；一定工況條件下，粗糙表面密封開(kāi)啟力、氣膜剛度和摩擦扭矩均大于同條件下的光滑表面[11]。近期，該團(tuán)隊(duì)還研究闡述了滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生與氣體分子平均自由程、粗糙度的關(guān)系[12]。宋鵬云教授團(tuán)隊(duì)[13-15]近年的研究表明：當(dāng)膜厚與粗糙度均方根的比值大于3～4時(shí)，可基本忽略表面粗糙度對(duì)密封性能的影響；較大粗糙度可以提升開(kāi)啟力和氣膜剛度，但泄漏率也會(huì)顯著加大。

2016年，SLAWOMIR和ANDRIY[16]研究了干氣密封微槽道、微孔隙及表面紋理的改變對(duì)密封介質(zhì)層動(dòng)態(tài)屬性的影響，指出合理的設(shè)計(jì)和表面形貌有助于提高干氣密封穩(wěn)定性。

綜上，干氣密封表面微造型的合理重構(gòu)對(duì)密封性能具有直接影響。但通過(guò)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及專利情況檢索，目前國(guó)內(nèi)外研究人員尚未涉及干氣密封槽底界面有序設(shè)計(jì)下的擾流效應(yīng)研究，這是干氣密封穩(wěn)定性研究中亟需解決的問(wèn)題。

1 激光加工模型的建立

現(xiàn)有加工水平下干氣密封動(dòng)環(huán)非開(kāi)槽區(qū)及靜環(huán)表面的粗糙度一般為0.1 μm[10]，槽底區(qū)域的粗糙度一般為Ra0.8 μm[17]。假設(shè)模型非開(kāi)槽區(qū)及靜環(huán)區(qū)為光滑表面，槽底粗糙度表面為各向同性，示意圖如圖1所示。

圖1 槽底粗糙面三維輪廓圖

相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]研究表明，表面粗糙度紋理方向?qū)Ρ砻婺Σ翆W(xué)性能和密封性能有重要影響。采用激光加工技術(shù)根據(jù)掃描路徑可實(shí)現(xiàn)一定的紋理結(jié)構(gòu)，假設(shè)掃描路徑依據(jù)流體泵入方向呈一定有序，則雕刻后的槽型槽底粗糙度將整體呈有序性造型，如圖2所示。

圖2 有序微造型示意圖

激光雕刻過(guò)程中，影響槽底加工精度(深度和平面度)的參量主要有焦距、步長(zhǎng)、功率及頻率。為保證精度，在焦距調(diào)整完成后，一般初始雕刻采用高功率、大步長(zhǎng)、低頻率進(jìn)行高效雕刻，而在開(kāi)槽結(jié)束階段，為保證較好的底面粗糙度，采用降低功率、減小步長(zhǎng)、提高頻率進(jìn)行精細(xì)雕刻。這種加工方法雖然可以在一定程度上確保精度，但效率低、成本高，具體加工方法如圖3所示。而對(duì)于具有微造型的干氣密封，由于槽底槽型本身微造型的存在，可免去開(kāi)槽最后階段進(jìn)行的精細(xì)雕刻過(guò)程，采用固定雕刻參數(shù)即可，如圖4所示。

圖3 無(wú)微造型干氣密封開(kāi)槽基本步驟

圖4 具微造型開(kāi)槽基本步驟

本文作者以具有微造型的T形槽干氣密封(簡(jiǎn)記MT-DGS)為例，通過(guò)對(duì)干氣密封槽底粗糙度進(jìn)行有序重構(gòu)及系統(tǒng)研究，探索粗糙度有序造型對(duì)密封性能的影響機(jī)制。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 流態(tài)計(jì)算說(shuō)明

目前，對(duì)干氣密封微尺度流場(chǎng)流態(tài)屬于層流或湍流仍存在爭(zhēng)論。部分學(xué)者的研究表明[20-21]，當(dāng)入口壓力pin=0.4～0.5 MPa、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min左右時(shí)，實(shí)際流態(tài)選擇為層流與實(shí)際更為符合；而部分學(xué)者[22-23]在壓力較高(pin=4.585 2 MPa)、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min左右時(shí)，則選用湍流形式進(jìn)行求解計(jì)算。但整體而言，流態(tài)選擇的不同對(duì)計(jì)算結(jié)果具體的數(shù)值影響較大，但不會(huì)改變相關(guān)參數(shù)影響的規(guī)律性。鑒于文中壓力和速度取值較大，所以將干氣密封副間流體流態(tài)視為湍流流動(dòng)。

2.2 基本假設(shè)

(1)密封副間氣體為連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)；

(2)密封副間流體屬于牛頓湍流流體[20]；

(3)流場(chǎng)內(nèi)潤(rùn)滑層溫度、黏度相等；

(4)氣體分子與密封表面牢固吸附，無(wú)相對(duì)滑移；

(5)忽略密封環(huán)變形對(duì)氣體流動(dòng)的影響；

(6)忽略氣體的慣性力和體積力；

(7)密封副在運(yùn)行過(guò)程中始終保持平行，除T形槽底面之外，其他表面均為光滑表面。

2.3 幾何模型

圖5所示為開(kāi)槽幾何模型和采樣計(jì)算區(qū)域。若槽數(shù)為Ng，則可選擇整個(gè)密封端面的1/Ng份(圖中區(qū)域ABCD)作為計(jì)算區(qū)域。

圖5 開(kāi)槽端面幾何結(jié)構(gòu)示意圖

如圖6所示，依據(jù)流體泵入方向及流體力學(xué)原理，擬定槽型的流線型微造型結(jié)構(gòu)。有序造型位于槽底且沿槽形均勻分布，忽略密封環(huán)曲率的影響，將粗糙度有序造型簡(jiǎn)化為矩形微造型?？紤]粗糙度的復(fù)雜性，通過(guò)改變微造型的寬度、間距和深度近似表征不同粗糙度(圖中粗糙度為放大表示)。

圖6 有序造型示意圖

2.4 計(jì)算模型

根據(jù)假設(shè)條件和幾何模型，選用YAKHOT和ORZAG提出的RNGk-?湍流模型，表達(dá)式[21]如下

(1)

(2)

2.5 邊界條件

密封槽入口ro處為介質(zhì)高壓側(cè)，用pout表示，為外界壓力(變量)；出口ri處為環(huán)境低壓側(cè)，用pin表示，為恒定大氣壓?？刂品匠淘谟?jì)算區(qū)域內(nèi)滿足周期性邊界條件[25]：

對(duì)稱邊界Γ1和Γ2處壓力相等：p|Γ1=p|Γ2，即p(θ+2π/Ng)=p(θ)。根據(jù)質(zhì)量流量守恒，流過(guò)對(duì)稱邊界Γ1和Γ2處的質(zhì)量流量也分別相等：q|Γ1=q|Γ2。

3 仿真計(jì)算

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

鑒于微造型模型的復(fù)雜性，其徑向與厚度方向尺寸差距達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)。在建模時(shí)將厚度方向放大1 000倍后導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示；采用逐層拉伸的形式將面網(wǎng)格拉伸成體網(wǎng)格，依次是非槽區(qū)、槽區(qū)和微造型部分，可精確保證網(wǎng)格的一致性且避免了Interface的設(shè)置；3個(gè)部分的網(wǎng)格層數(shù)通過(guò)Interval count分別定義為6、6、4；最后導(dǎo)入Fluent中，通過(guò)scale設(shè)置可實(shí)現(xiàn)模型厚度還原。

圖7 網(wǎng)格劃分

3.2 邊界設(shè)置

如圖8所示，周期邊界為2組，出口邊界1個(gè)，進(jìn)口邊界為2(非槽區(qū)氣膜及槽區(qū)進(jìn)口)+n(微造型數(shù)量)個(gè)，氣膜底面為Static wall，其余面為Rotational wall。

圖8 邊界條件設(shè)置

3.3 求解設(shè)置

仿真計(jì)算選擇三維雙精度求解器，密封介質(zhì)為空氣，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法。擴(kuò)散項(xiàng)的離散格式采用中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)的離散格式采用二階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算結(jié)果的精度。模型采用的迭代精度設(shè)為10-5。

4 參數(shù)選擇

4.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證方法的正確性，選擇文獻(xiàn)[26]中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。選擇端面開(kāi)啟力Fo和泄漏率Q為參量。

表1 驗(yàn)證性參數(shù)

4.2 分析性實(shí)驗(yàn)

為研究槽底有序造型設(shè)計(jì)對(duì)密封擾流性能的影響，槽型幾何參數(shù)及微造型參數(shù)列于表2和表3。

表2 分析性參數(shù)

表3 微造型參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 驗(yàn)證性分析

圖9所示為依據(jù)表1參數(shù)得出的膜厚為2.03 μm時(shí)的壓力分布圖?？梢钥闯觯篢形槽一側(cè)形成高壓區(qū)，另一側(cè)為低壓區(qū)。槽型的對(duì)稱性使得當(dāng)轉(zhuǎn)速方向變化時(shí)，高壓側(cè)和低壓側(cè)具有轉(zhuǎn)換性，密封實(shí)際動(dòng)壓效應(yīng)不變，這是非對(duì)稱槽型不具備的可雙向旋轉(zhuǎn)特性。

圖9 T-DGS壓力分布云圖 (δ=2.03 μm)

圖10、11分別示出了采用文中計(jì)算方法得到的開(kāi)啟力和泄漏率與文獻(xiàn)值[24]的比較?？梢钥闯觯涸谳^大膜厚時(shí)文中計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值很接近，且變化趨勢(shì)和規(guī)律性也與文獻(xiàn)符合較好，驗(yàn)證了該方法及參數(shù)設(shè)置的正確性。

圖10 開(kāi)啟力對(duì)比

圖11 泄漏率對(duì)比

5.2 具微造型性能分析

圖12示出了MT-DGS與T-DGS性能對(duì)比。可知，具微造型干氣密封MT-DGS與T-DGS規(guī)律變化趨勢(shì)一致，在小膜厚時(shí)MT-DGS的開(kāi)啟力略高。鑒于膜厚的變化區(qū)間較小，無(wú)法充分反映性能參數(shù)的變化規(guī)律和具體區(qū)別，選擇小膜厚時(shí)(δ=1 μm)及其他微尺度工況進(jìn)行進(jìn)一步性能分析。

圖12 MT-DGS與T-DGS性能對(duì)比

5.3 微尺度下的性能分析

圖13示出了微尺度下T形槽干氣密封開(kāi)啟力分析結(jié)果。

圖13 微尺度下T形槽干氣密封開(kāi)啟力分析

從圖13中可以看出，微尺度下MT-DGS較無(wú)微造型T-DGS具有良好的增壓減漏效果。幾何參數(shù)和工況參數(shù)的變化對(duì)MT-DGS和T-DGS都有一定的影響，具體為：開(kāi)啟力隨轉(zhuǎn)速和壓力的升高而增大，隨膜厚的增大而減?。恍孤┞孰S轉(zhuǎn)速、壓力和膜厚的升高都呈增大趨勢(shì)，MT-DGS較T-DGS的增壓減漏效果隨轉(zhuǎn)速、壓力、槽深、膜厚的增大愈加明顯；存在一定的槽深(圖示為5～7 μm)使得具M(jìn)T-DGS的泄漏率不大且兼具良好的開(kāi)啟性能。值得關(guān)注的是，如圖13(a)所示，微造型結(jié)構(gòu)在高轉(zhuǎn)速下具有一定的抑制泄漏率作用，可能的原因是槽底微造型的存在形成的擾流作用具有抑漏效果，關(guān)于這一點(diǎn)下文將繼續(xù)探討和研究。

6 微造型擾流效應(yīng)分析

文中所述擾流指工況條件變化時(shí)槽底產(chǎn)生的流動(dòng)流體的相互干擾，即文獻(xiàn)[27]中研究結(jié)果表述的動(dòng)壓疊加效應(yīng)。對(duì)于干氣密封，理想的流體流動(dòng)形式(層流或湍流)都是有助于形成密封副間的開(kāi)啟力，出現(xiàn)動(dòng)壓效應(yīng)疊加時(shí)(擾流)可能產(chǎn)生流體回流、空化等降低密封開(kāi)啟性能的因素，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行深入研究。

圖14所示為MT-DGS與T-DGS在不同槽深和膜厚下隨轉(zhuǎn)速變化時(shí)的開(kāi)啟力對(duì)比結(jié)果?？芍翰凵詈湍ず竦淖兓瘜?duì)二者的開(kāi)啟力都有較大影響；在槽深hg=1 μm時(shí)MT-DGS與T-DGS的開(kāi)啟力受擾流效應(yīng)影響較大，都隨轉(zhuǎn)速升高開(kāi)啟力逐漸減?。辉诓凵頷g=3 μm時(shí)二者的開(kāi)啟力隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；在槽深hg≥4 μm時(shí)T-DGS的開(kāi)啟力隨轉(zhuǎn)速升高而增大，MT-DGS的開(kāi)啟力則呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。

圖14 不同槽深時(shí)T形槽干氣密封開(kāi)啟力變化(pout=2 MPa)

微造型結(jié)構(gòu)在槽深hg≥3 μm時(shí)擾流效應(yīng)在一定轉(zhuǎn)速下是有益于密封開(kāi)啟性能的，隨著轉(zhuǎn)速的增大，擾流效應(yīng)逐漸起到主導(dǎo)作用，降低了微造型結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟力，開(kāi)啟力下降拐點(diǎn)隨槽深增大逐漸由20 000 r/min升高至30 000 r/min；槽深hg=1 μm時(shí)，微造型結(jié)構(gòu)由于受擾流效應(yīng)影響，開(kāi)啟性能較差；膜厚越小，微造型的開(kāi)啟力提升效果越明顯，一定膜厚(δ≤2 μm)及槽深范圍內(nèi)(hg≥3 μm)，MT-DGS的開(kāi)啟性能優(yōu)于T-DGS；分析圖14(a)、(b)所示的開(kāi)啟力的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，MT-DGS隨轉(zhuǎn)速升高開(kāi)啟力的變化幅度更大，說(shuō)明微造型結(jié)構(gòu)對(duì)速度變化更加敏感。

圖15所示為不同槽深和膜厚時(shí)MT-DGS和T-DGS泄漏率的對(duì)比結(jié)果?？芍篗T-DGS和T-DGS的泄漏率變化趨勢(shì)一致，隨膜厚的增大泄漏率呈增大趨勢(shì)。較大膜厚時(shí)，泄漏率隨轉(zhuǎn)速的增大而減小的可能原因是擾流效應(yīng)下氣體的回流效果造成的。在膜厚逐漸增大時(shí)，微造型結(jié)構(gòu)干氣密封的減漏效果愈加明顯，同樣說(shuō)明具有微造型的T形槽受擾流影響的程度大于無(wú)微造型T形槽結(jié)構(gòu)。

圖15 不同槽深時(shí)T形槽干氣密封泄漏率變化(pout=2 MPa)

從圖15還可以看出，隨著槽深的增加，開(kāi)啟力出現(xiàn)小幅度增大，且擾流效果在大槽深、高轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯。

7 結(jié)論

(1)粗糙度對(duì)干氣密封性能的影響可通過(guò)有序造型的方式進(jìn)行定向調(diào)整，不僅實(shí)現(xiàn)了密封性能的提升，而且可以簡(jiǎn)化加工、提升效率和降低成本。

(2)槽底粗糙度有序微造型的設(shè)計(jì)在高壓、高速、小膜厚和微槽深時(shí)較無(wú)微造型T形槽具有更優(yōu)異的密封性能，對(duì)于進(jìn)一步提升此類槽型的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

(3)槽底具微造型設(shè)計(jì)的T形槽干氣密封在速度超過(guò)一定范圍(30 000 r/min)時(shí)擾流效應(yīng)影響會(huì)較大幅度降低開(kāi)啟性能，實(shí)際使用應(yīng)避免這一速度區(qū)間。