（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引言

現(xiàn)代航空燃?xì)廨啓C(jī)研制已達(dá)到較高水平，研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本呈指數(shù)性增長(zhǎng)[1]，與改善其次流道密封結(jié)構(gòu)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)效率的途徑相比，先進(jìn)密封技術(shù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油功耗的成本更低，泄漏量更少，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率獲得更大提升[2-3]。因此，NASA在先進(jìn)亞聲速技術(shù)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了諸多的先進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，其中包括刷式密封、端面氣膜密封以及本文研究的柱面氣膜密封等，其研究成果表明，柱面氣膜密封可以提高密封裝置性能，減少泄漏量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣的工作環(huán)境中延長(zhǎng)壽命，并且可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，從而直接減少發(fā)動(dòng)機(jī)的使用成本[4-6]。柱面氣膜密封作為一種先進(jìn)的非接觸式密封[7]，具有壽命周期長(zhǎng)、可靠性高和浮動(dòng)自適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，其中，該密封結(jié)構(gòu)在自適應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)可以用來(lái)解決轉(zhuǎn)子的大動(dòng)態(tài)位移問(wèn)題[10-11]，因此具有很高的研究?jī)r(jià)值。

柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)主要由柔性支撐系統(tǒng)和浮環(huán)構(gòu)成，利用流體的動(dòng)壓效應(yīng)，產(chǎn)生氣體阻塞流來(lái)達(dá)到密封目的[12]。由于柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)尺寸較小，復(fù)雜槽型加工十分困難，使其很難投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中[13]。而一字槽柱面氣膜密封不僅加工工藝易實(shí)現(xiàn)，加工成本低，還有長(zhǎng)方形壩區(qū)用來(lái)阻塞流體，使動(dòng)壓效應(yīng)明顯，從而提高密封氣膜剛度，保證密封的穩(wěn)定性。

目前，馬綱等運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法研究出雙向旋轉(zhuǎn)柱面氣膜密封的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性參數(shù)隨不同參數(shù)的變化規(guī)律[14]；并且采用仿真模擬的方法研究了螺旋槽柱面氣膜密封的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)柱面氣膜密封性能的影響情況[15]。徐萬(wàn)孚等提出為了考慮實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，螺旋槽氣膜密封的動(dòng)壓槽槽型參數(shù)的優(yōu)化還需要考慮動(dòng)態(tài)性能和自振穩(wěn)定性等[16]。丁雪興等進(jìn)一步對(duì)螺旋槽柱面氣膜密封的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析[17]。Wang等利用CFD軟件模擬研究了3種膜厚下螺旋槽干氣密封端面氣膜沿周向和徑向的溫度分布[18]。蘇澤輝等運(yùn)用三維仿真研究了T型槽的密封特性[19]。迄今為止，一字槽柱面氣膜密封穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的密封性能分析尚未得到深入研究。所以本文采用一字槽柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，以理想氣體為氣膜介質(zhì)，運(yùn)用CFD數(shù)值分析探究其密封性能。在Creo中建立柱面氣膜的參數(shù)化三維模型，然后運(yùn)用ANSA劃分網(wǎng)格，使用FLUENT軟件分析操作參數(shù)和槽型參數(shù)對(duì)柱面氣膜密封性能的影響。

1 柱面氣膜密封的結(jié)構(gòu)原理及模型建立

1.1 密封原理

如圖1所示，柔性支承柱面氣膜密封的轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)安裝時(shí)存在偏心，通過(guò)轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)讓轉(zhuǎn)軸和浮環(huán)之間產(chǎn)生動(dòng)壓密封氣膜，在流體動(dòng)壓效應(yīng)下形成一定的剛度氣膜，隔絕或減緩高壓側(cè)向低壓側(cè)的氣體流動(dòng)，并使轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)在密封過(guò)程中相互分離，保持非接觸的動(dòng)態(tài)平衡[20]。由于浮環(huán)與轉(zhuǎn)軸間不發(fā)生接觸，該密封結(jié)構(gòu)可以避免磨損和摩擦，延長(zhǎng)密封壽命，增加密封的可靠性[21～23]。

圖1 柱氣膜密封結(jié)構(gòu)示意

1.2 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性檢驗(yàn)

氣膜平均厚度在微米級(jí)別，由于仿真結(jié)果會(huì)直接受到網(wǎng)格劃分質(zhì)量的影響，而ANSA軟件可以有效調(diào)節(jié)模型分辨率，高質(zhì)量地顯示出微米級(jí)別的槽，所以本文選用前處理ANSA 軟件對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖2所示，基于流體計(jì)算精度準(zhǔn)則，在只有微米級(jí)別的模型氣膜厚度方向劃分為5層，并采用正交性較好的六面體網(wǎng)格，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖2 柱氣膜密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意

圖3示出平均氣膜厚度為20 μm時(shí)的氣膜泄漏量Q在不同網(wǎng)格數(shù)N下的計(jì)算結(jié)果，可以看出不同的網(wǎng)格數(shù)下得到的結(jié)果誤差小于2%，可以認(rèn)為結(jié)果可取。綜合考慮計(jì)算精度要求和計(jì)算機(jī)配置情況，采用的網(wǎng)格數(shù)為479 232。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

1.3 計(jì)算模型假設(shè)

對(duì)計(jì)算模型作了如下假設(shè)：（1）介質(zhì)符合牛頓粘性原理的均勻連續(xù)的氣體。（2）不考慮氣體體積力對(duì)流場(chǎng)的影響。（3）流場(chǎng)內(nèi)溫度和流體粘度保持恒定。（4）流體與轉(zhuǎn)軸及浮環(huán)不發(fā)生相對(duì)滑移。

1.4 邊界條件和求解器設(shè)定

設(shè)置進(jìn)口邊界為壓力入口，壓力P=0.3 MPa，出口邊界為壓力出口，P=0.1 MPa，溫度26.85 ℃；內(nèi)壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)面，轉(zhuǎn)速為13 000 r/min。外壁面設(shè)為靜止面。

文中采用壓強(qiáng)-速度關(guān)聯(lián)算法，F(xiàn)LUENT軟件中可選用SIMPLE或SIMPLEC的定常流體計(jì)算來(lái)定義分離求解器。SIMPLEC算法相對(duì)于SIMPLE算法改進(jìn)了系數(shù)項(xiàng)的計(jì)算，改進(jìn)了壓力修正值在運(yùn)算過(guò)程中增多的缺點(diǎn)，引入了速度修正方程。在沒(méi)有輻射模型等輔助方程的層流計(jì)算中，SIMPLEC收斂速度更快，并且與SIMPLE運(yùn)算結(jié)果幾乎沒(méi)有差別，所以本文求解器設(shè)置為SIMPLEC 壓力修正法。

1.5 模型驗(yàn)證

本文通過(guò)FLUENT軟件三維模擬仿真得出氣膜密封性能參數(shù)。為了驗(yàn)證仿真參數(shù)設(shè)置的正確性，使用盧志偉等[22]研究氣浮軸承時(shí)采用的軸承參數(shù)。將本文模擬的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[24]的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖4示出不同氣膜間隙與流量關(guān)系的趨勢(shì)對(duì)比圖。從圖4可以看出，本文模擬計(jì)算出的氣膜間隙與流量之間的關(guān)系曲線和文獻(xiàn)中基本相同，都為上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)十分接近。可見，本文的模擬計(jì)算方法具有較好的準(zhǔn)確性，可以用于后續(xù)氣膜密封性能的計(jì)算。

圖4 模型驗(yàn)證對(duì)比

表1 柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 一字槽柱面密封的幾何結(jié)構(gòu)示意

2 一字槽柱面氣膜靜壓分析

以表1中的操作參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其靜壓分布如圖2所示。

圖6 一字槽柱面氣膜密封靜壓分布

氣體在動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)被吸入一字槽內(nèi)，因轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)之間為偏心安裝，兩者之間存在楔形間隙。在楔形效應(yīng)下，氣體流動(dòng)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)。通過(guò)靜壓分布云圖，可以看出氣膜壓力為非線性變化，即從高壓入口到一字槽底端，壓力先升后降。其中頂部最高壓力為0.312 MPa。高壓入口的壓力為0.3 MPa，則氣膜內(nèi)部的最高壓力比入口壓力大4%左右。

3 操作參數(shù)對(duì)密封性能影響分析

建立槽數(shù)為16，槽深為5 μm，槽長(zhǎng)為25 mm，槽寬為8 mm的氣膜模型。分析轉(zhuǎn)速以及壓差對(duì)氣膜泄漏量，摩擦轉(zhuǎn)矩，氣膜浮升力以及泄漏量的影響。

3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響如圖7所示。從圖7可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，氣膜的泄漏量、浮升力、氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩變化量較小，密封性能幾乎不隨轉(zhuǎn)速變化。氣體受槽型區(qū)影響，阻塞流增大，即泄漏氣體軸向流速降低導(dǎo)致泄漏量降低，而阻塞流的增大，致使非壩區(qū)氣膜壓力下降，槽區(qū)增加的流體動(dòng)壓無(wú)法抵消其影響，因此浮升力呈略微下降的趨勢(shì)。含有槽型的動(dòng)環(huán)浮升力降低，致使偏心計(jì)算中，氣膜剛度也隨之降低。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

3.2 壓差對(duì)密封性能的影響

壓差對(duì)密封性能的影響如圖8所示。從圖8可以看出，隨著壓差增大，泄漏量，浮升力，氣膜剛度以及摩擦轉(zhuǎn)矩都隨之增大，這是因?yàn)閴翰钤黾訉?dǎo)致軸向氣流流速增加，氣體黏度相對(duì)較低，密封間隙的壓力主要以動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的密封壓力作為主導(dǎo)壓力，使得流體沿著槽的方向流動(dòng)，周向剪切形成的流體動(dòng)壓壓力小于密封徑向的壓力。隨著入口壓力增大泄漏量也隨之上升，壓差由0.1 MPa上升至0.4 MPa，密封泄漏量增加了3倍左右，符合泄漏率的理論變化，氣膜浮升力上升1.06倍左右，而受壓差的影響，摩擦轉(zhuǎn)矩增加了2.5，氣膜剛度上升3.7%。

圖8 壓差對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣膜密封性能的影響

在轉(zhuǎn)速為13 000 r/min，壓差為0.2 MPa的條件下，分析偏心率以及平均氣膜厚度對(duì)氣膜泄漏量，摩擦轉(zhuǎn)矩，氣膜浮升力以及泄漏量的影響。

4.1 偏心率對(duì)密封性能的影響

偏心率對(duì)密封性能的影響如圖9所示。從圖9中可以看出隨著偏心率增加，泄漏量和浮升力明顯增加，氣膜剛度明顯下降，而摩擦轉(zhuǎn)矩先增加后趨于平衡。當(dāng)偏心率增大時(shí)，最小氣膜厚度變小，楔形間隙也變小，楔形效應(yīng)及流體動(dòng)壓效應(yīng)增加，流量及流體速度都增大，導(dǎo)致泄漏量和浮升力增加。而浮升力的增加導(dǎo)致膜內(nèi)外浮升力差值增大，使氣膜剛度下降。而楔形間隙較小還會(huì)導(dǎo)致局部摩擦轉(zhuǎn)矩增加，所以摩擦轉(zhuǎn)矩隨偏心率增加而增加，最后趨于平衡。綜合以上分析可以得出，偏心率在0.4～0.6之間，柱面氣膜密封性能最好。

圖9 偏心率對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

4.2 平均氣膜厚度對(duì)密封性能的影響

平均氣膜厚度對(duì)密封性能的影響如圖10所示。從圖10可以看出，隨著平均氣膜厚度的增加，泄漏量明顯增加而浮升力明顯降低，氣膜剛度呈非線性變化，摩擦轉(zhuǎn)矩沒(méi)有明顯變化。當(dāng)氣膜厚度增加，徑向厚度也隨之增加，泄漏體積增大，導(dǎo)致泄漏量增大，流體動(dòng)壓效應(yīng)降低，使氣膜壓力下降，從而導(dǎo)致氣膜浮升力下降。平均氣膜厚度由10 μm逐漸增加到15 μm時(shí)，受槽型區(qū)影響較大，氣體阻塞流增加，流速明顯減小，使氣膜剛度呈下降趨勢(shì)。但隨著平均氣膜厚度繼續(xù)增加，氣膜浮升力減少而導(dǎo)致的氣膜內(nèi)外壓力差減少無(wú)法被抵消，從而導(dǎo)致氣膜剛度增加。綜合4項(xiàng)參數(shù)可以看出，柱面氣膜密封在平均氣膜厚度為10 μm處的密封性能最佳。

圖10 平均氣膜厚度對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

5 槽型參數(shù)對(duì)氣膜密封性能的影響

在轉(zhuǎn)速為13 000 r/min，壓差為0.2 MPa的條件下，分析槽數(shù)、槽深以及槽長(zhǎng)對(duì)氣膜泄漏量，摩擦轉(zhuǎn)矩，氣膜浮升力以及泄漏量的影響。

5.1 槽數(shù)對(duì)密封性能的影響

槽數(shù)對(duì)密封性能的影響如圖11所示。

圖11 槽數(shù)對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

從圖11中可以看出，隨著槽數(shù)增加，泄漏量和浮升力均增加，而氣膜剛度減少，摩擦轉(zhuǎn)矩呈非線性變化即先增加后減少。由于槽數(shù)增加，氣體的泵吸效應(yīng)增加，槽區(qū)和非槽區(qū)的連續(xù)出現(xiàn)增加了流體動(dòng)壓效應(yīng)，在兩者的平衡作用下，泄漏量有所增加，但遠(yuǎn)小于平均氣膜厚度對(duì)其的影響。動(dòng)壓效應(yīng)的增強(qiáng)，使氣膜壓力增加從而導(dǎo)致氣膜浮升力增加。在浮升力上升的同時(shí)，膜內(nèi)浮升力增量低于膜外浮升力增量，導(dǎo)致氣膜剛度持續(xù)減小。由于槽數(shù)的增多，阻塞效應(yīng)增強(qiáng)，泄漏氣體的增加不足以抵消阻塞效應(yīng)的影響，因此摩擦轉(zhuǎn)矩呈上升趨勢(shì)，但在槽數(shù)為16以后，泄漏體積的增加足以抵消阻塞效應(yīng)的影響，摩擦轉(zhuǎn)矩的變化呈下降趨勢(shì)。綜合而言，當(dāng)槽數(shù)為12～16個(gè)時(shí)，柱面氣膜密封的性能較好。

5.2 槽深對(duì)密封性能的影響

槽深對(duì)密封性能的影響如圖12所示。從圖12中可以看出，隨著槽深的增加，泄漏量、浮升力、氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩都為上升趨勢(shì)。這是因?yàn)椴凵钤黾?，通過(guò)的流量體積隨之增大，泄漏量隨之增大。動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，氣膜壓力增加從而導(dǎo)致氣膜浮升力加大。槽深的變化使得壁外的浮升力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壁內(nèi)的徑向力，開槽端產(chǎn)生較強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng)，導(dǎo)致氣膜剛度隨槽深變化最為明顯，從10 770 N/m上升至278 325 N/m。

圖12 槽深對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

5.3 槽長(zhǎng)對(duì)密封性能的影響

槽長(zhǎng)對(duì)密封性能的影響如圖13所示。

圖13 槽長(zhǎng)對(duì)密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

從圖13中可以看出，隨著槽長(zhǎng)增加，泄漏量增加，氣膜浮升力呈非線性變化，氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩減小。槽長(zhǎng)的增加使泄漏通道的有效體積增大，導(dǎo)致泄漏量增加。槽長(zhǎng)增加導(dǎo)致產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)的區(qū)域增加，使浮升力增加，但當(dāng)槽長(zhǎng)增加到30 mm時(shí)，泄漏體積的增大與動(dòng)壓效應(yīng)區(qū)域增加相抵消，導(dǎo)致浮升力有下降的趨勢(shì)。浮升力的變化導(dǎo)致氣膜內(nèi)外壓力差先變大后不變，從而導(dǎo)致氣膜剛度逐漸減小最后趨于平衡。綜合以上，槽長(zhǎng)選取30 mm以內(nèi)時(shí)，密封性能較好。

6 結(jié)論

（1）一字槽的存在對(duì)柱面氣膜壓場(chǎng)分布產(chǎn)生較大影響，受槽區(qū)影響，槽區(qū)入口壓場(chǎng)有明顯的波動(dòng)。

（2）轉(zhuǎn)速變化對(duì)氣膜密封特性影響不大，而壓差、泄漏率和氣膜平均厚度會(huì)導(dǎo)致氣膜的泄漏量和浮升力發(fā)生明顯變化。平均氣膜厚度10 m，偏心在0.4～0.6時(shí)，氣膜的各項(xiàng)密封性能參數(shù)均較好。

（3）相比于操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，槽型參數(shù)對(duì)氣膜密封性能的影響較小，由于平均氣膜厚度對(duì)泄漏量和浮升力的影響以及偏心率對(duì)氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩的影響相互制約，應(yīng)用中需綜合考慮其對(duì)密封性能影響。