李 森 王本濤 王起梁

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213000)

迷宮密封作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。高速動(dòng)車組齒輪箱一般采用迷宮密封結(jié)構(gòu)，但由于齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，壓力波動(dòng)大，同時(shí)伴隨氣液兩相流動(dòng)過(guò)程，密封系統(tǒng)存在失效風(fēng)險(xiǎn)。尤其是隨著軸端轉(zhuǎn)速的增加，箱體平衡溫度快速上升，內(nèi)部壓力增加，可能在軸端出現(xiàn)竄油、漏油等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響齒輪箱運(yùn)行安全。因此，有效控制迷宮密封高低壓過(guò)渡區(qū)域的泄漏流動(dòng)，提升設(shè)備運(yùn)行的安全性十分重要。

最初對(duì)于迷宮密封的研究主要采用基于熱力學(xué)分析和試驗(yàn)修正相結(jié)合的方法估算密封系統(tǒng)的泄漏量[1]。但由于理論模型未考慮泄漏流動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致這些公式的計(jì)算結(jié)果偏差較大。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，研究者對(duì)于迷宮密封系統(tǒng)的分析逐漸深入。其中，Rhode等[2]采用有限元法對(duì)迷宮密封進(jìn)行了系統(tǒng)分析，指出密封齒數(shù)和密封間隙對(duì)密封效率影響較大，密封齒厚影響較小，而旋轉(zhuǎn)軸的摩擦損耗提升了密封效率； Childs等[3]通過(guò)對(duì)比研究轉(zhuǎn)子(TOR)/靜子(TOS)上布置密封齒對(duì)迷宮密封系統(tǒng)泄漏特性的影響，指出TOS的泄漏量比TOR增大約5%～10%。除了結(jié)構(gòu)尺寸的影響，Witting等[4]的試驗(yàn)指出，隨著密封入口馬赫數(shù)和雷諾數(shù)的增加，密封效率也將得到提升。

綜合已有關(guān)于迷宮密封系統(tǒng)的研究，已有文獻(xiàn)中的不足主要體現(xiàn)在以下兩方面：(1)關(guān)于迷宮密封的研究都是以空氣為工質(zhì)，而工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的以潤(rùn)滑密封為主導(dǎo)的兩相流動(dòng)研究極少涉及。與空氣相比，密封中的油氣兩相流動(dòng)過(guò)程受力更為復(fù)雜，兩相交互作用強(qiáng)烈，準(zhǔn)確計(jì)算密封端內(nèi)兩相流場(chǎng)的分布形態(tài)將有助于給出更合理的密封端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)關(guān)于兩相流動(dòng)條件下迷宮密封甩油環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)密封泄漏特性影響的研究鮮有涉及。類似結(jié)構(gòu)下不同旋轉(zhuǎn)角度、懸臂/壁面間隙和進(jìn)出口壓差將顯著改變密封端的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)密封端的泄漏特性產(chǎn)生影響。因此，開展在兩相流動(dòng)條件下甩油環(huán)密封的流動(dòng)與泄漏特性的研究十分必要。

下文采用油/氣均勻兩相流動(dòng)模型，對(duì)高速動(dòng)車組甩油環(huán)密封內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了不同旋轉(zhuǎn)角度、懸臂/壁面間隙和進(jìn)出口壓差條件變化對(duì)甩油環(huán)密封的流動(dòng)與泄漏特性的影響，得到了泄漏特性變化的趨勢(shì)及規(guī)律，以期為更高性能的甩油環(huán)密封優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

參考現(xiàn)有高速動(dòng)車組齒輪箱密封端設(shè)計(jì)，構(gòu)建如圖1所示的甩油環(huán)計(jì)算模型，并以此為基準(zhǔn)，通過(guò)改變甩油環(huán)懸臂旋轉(zhuǎn)角度β和懸臂/壁面間隙Δl，研究密封的流動(dòng)與泄漏特性。結(jié)構(gòu)尺寸的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 甩油環(huán)關(guān)鍵幾何尺寸

流體計(jì)算域采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)壁面進(jìn)行了加密處理，以保證計(jì)算域壁面第一層網(wǎng)格的y+值趨近于1。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)基本保持在300～400萬(wàn)之間。考慮到密封結(jié)構(gòu)的周期性，選取一個(gè)弧段(15°)作為研究對(duì)象，弧段兩側(cè)采用周期性邊界條件。表1給出了計(jì)算所采用的邊界條件和求解方法。進(jìn)口給定總溫總壓，出口給定背壓。針對(duì)旋轉(zhuǎn)/伸縮的每一個(gè)結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓使落壓在1.5 kPa～5 kPa之間變化。CFD計(jì)算的收斂判據(jù)為控制方程的殘差達(dá)到10-6量級(jí)，同時(shí)進(jìn)出口流量殘差小于0.1%。

表1 邊界條件及求解方法

2 數(shù)值處理方法

不同的湍流模式對(duì)于流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大影響。根據(jù)相似原理，本文采用文獻(xiàn)[5]提供的直通式迷宮密封試驗(yàn)件作為計(jì)算模型，并與文獻(xiàn)[1]中的Martin一維迷宮式密封泄漏關(guān)聯(lián)式結(jié)果進(jìn)行了比較。迷宮密封模型的尺寸、邊界條件與試驗(yàn)相一致。如圖2所示，RNG K-ε模型過(guò)高地預(yù)估了密封的泄漏量，一維試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果相較于試驗(yàn)結(jié)果偏低，而采用SST K-ω模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。因此，下文甩油環(huán)流場(chǎng)計(jì)算采用SST K-ω模型來(lái)求解三維RANS方程。

圖2 直通式迷宮密封泄漏特性

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同懸臂/壁面間隙的影響

為便于表征不同幾何參數(shù)和工況下的泄漏特性，本文采用Stocker等提出的泄漏系數(shù)

其中：m為泄漏量，P0、T0為入口總壓總溫，Ale為泄漏通流面積。圖3給出了不同懸臂/壁面間隙和進(jìn)出口壓差條件下密封泄漏量的變化規(guī)律?？傮w而言，隨著懸臂/壁面間隙的增大，泄漏量逐漸增加。不同進(jìn)出口壓差條件下的泄漏量變化略有區(qū)別。當(dāng)進(jìn)出口壓差為1.5 kPa時(shí)，泄漏量隨懸臂/壁面間隙的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。泄漏量隨懸臂/壁面間隙的變化存在臨界值。當(dāng)間隙值低于這一臨界值時(shí)，間隙減小帶來(lái)的泄漏量降低效果并不顯著(同時(shí)可能誘發(fā)懸臂振動(dòng))；間隙值高于臨界值時(shí)，泄漏量急劇增大,之后趨于平緩并接近無(wú)甩油環(huán)時(shí)的泄漏量，說(shuō)明此時(shí)甩油環(huán)的作用可以忽略。圖3(b)為5種不同間隙下泄漏量隨進(jìn)出口壓差的變化規(guī)律。根據(jù)流量函數(shù)方程，泄漏量與落壓比成正比。因此隨著進(jìn)口壓力的上升，泄漏量呈線性增加。

為了分析懸臂/壁面間隙變化對(duì)泄漏量影響的成因，圖4為當(dāng)進(jìn)出口壓差為1.5 kPa時(shí)，甩油環(huán)附近的油相體積分?jǐn)?shù)和速度流線分布。受流體慣性和壁面的限制作用，甩油環(huán)尾緣流束收縮引起有效通流面積減小，由幾何結(jié)構(gòu)造成的突擴(kuò)過(guò)渡產(chǎn)生強(qiáng)的逆壓梯度, 引起流動(dòng)在甩油環(huán)尾緣發(fā)生流動(dòng)分離。流動(dòng)分離使得甩油環(huán)尾緣形成兩個(gè)關(guān)于尾緣射流流面對(duì)稱的反旋轉(zhuǎn)渦對(duì)，這一低壓區(qū)渦對(duì)在尾緣射流兩側(cè)卷吸射流區(qū)流體進(jìn)入兩側(cè)腔室，并通過(guò)離心分層作用將油相分離，形成如圖所示的油相分布。油相射流主要由自由射流區(qū)、沖擊滯止區(qū)和壁面射流區(qū)三部分組成。在自由射流區(qū)內(nèi)，射流邊界層與外部流體之間的剪切作用為流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換提供驅(qū)動(dòng)，射流在兩側(cè)漩渦作用下發(fā)生相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。在沖擊滯止區(qū)內(nèi)，射流傾角對(duì)射流沖擊面流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響：當(dāng)懸臂/壁面間隙減小時(shí)，射流傾角減小，射流“下坡”L側(cè)回流區(qū)的尺寸變小，而“上坡”R側(cè)回流區(qū)的尺寸變大，傾斜沖擊射流場(chǎng)的最大壓力區(qū)向“上坡”側(cè)轉(zhuǎn)移，兩側(cè)腔室湍流耗散作用顯著增強(qiáng)，對(duì)泄漏過(guò)程起到明顯阻滯作用。

圖3 不同懸臂/壁面間隙下的泄漏特性

圖4 不同懸臂/壁面間隙下的油相體積分?jǐn)?shù)及速度流線分布

密封的泄漏量同時(shí)取決于射流剛度和射流入射角度。改變懸臂/壁面間隙將顯著改變尾緣泄漏射流的攻角和強(qiáng)度。為了表征尾緣射流分布特征對(duì)泄漏量的影響，圖5所示為對(duì)應(yīng)進(jìn)出口壓差下甩油環(huán)尾緣射流的沖擊特性。定義射流雷諾數(shù)如下：

Re=ρoiluha/μoil

其中：ρoil為潤(rùn)滑油密度，u為射流初始速度，μoil為潤(rùn)滑油黏度，h為尾緣混合相射流寬度，定義為從壁面開始，沿法線方向至油相體積分?jǐn)?shù)α為壁面油相體積分?jǐn)?shù)90%的區(qū)域?qū)挾?。如圖5所示，將尾緣泄漏射流近似簡(jiǎn)化為單邊約束的湍流射流，得到與圖4射流核心區(qū)相對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱速度衰減分布?？梢钥吹?，不同間隙下射流的衰減規(guī)律相似，但衰減速率隨間隙的增大逐漸遞增。這主要與射流雷諾數(shù)和射流沖擊距離相關(guān)。射流雷諾數(shù)與懸臂/壁面間隙成反比，射流雷諾數(shù)越大，射流剛性越強(qiáng)，流體保持自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力越強(qiáng)。定義射流沖擊距離H如下：

H=Δl/cosθ

其中：入射角度θ為“上坡”側(cè)夾角，Δl為射流出口到?jīng)_擊壁面的法向間距。當(dāng)懸臂/壁面間隙降低時(shí)，入射角度逐漸趨近于射流出口角度，射流沖擊距離減小，射流阻滯特性增強(qiáng)，但同時(shí)射流油相質(zhì)量流量增加?？傮w而言，懸臂/壁面間隙減小一方面使得甩油環(huán)尾緣射流強(qiáng)度增加，湍流耗散作用增強(qiáng)，對(duì)泄漏過(guò)程起阻滯作用。但同時(shí)射流強(qiáng)度的增加也導(dǎo)致油相質(zhì)量流量增加。當(dāng)懸臂/壁面間隙大于臨界值時(shí)，射流特征起主導(dǎo)作用，降低懸臂/壁面間有助于增強(qiáng)湍流耗散，降低泄漏量；當(dāng)懸臂/壁面間隙遠(yuǎn)小于臨界值時(shí)，油相流量起主導(dǎo)作用，泄漏量增加。

圖5 不同懸臂/壁面間隙下的射流沖擊特性

3.2 不同旋轉(zhuǎn)角度的影響

圖6所示為不同旋轉(zhuǎn)角度和進(jìn)出口壓差條件下密封泄漏量的變化規(guī)律。不同進(jìn)出口壓差條件下的泄漏量變化規(guī)律基本相同。以2π/3作為臨界點(diǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度低于臨界值時(shí)，密封泄漏量隨著轉(zhuǎn)角的增大而降低，降低的幅度介于15.2%～25.5%之間；當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度高于臨界值時(shí)，泄漏量隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大，增幅在11.3%～18.6%之間變動(dòng)?？梢钥吹?，相比于懸臂/壁面間隙的影響，密封的封嚴(yán)性能對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的變化更敏感。圖6(b)為5種不同旋轉(zhuǎn)角度下泄漏量隨進(jìn)出口壓差的變化規(guī)律。與上一節(jié)類似，根據(jù)流量函數(shù)方程，泄漏量與落壓比成正比。因此隨著進(jìn)口壓力的上升，泄漏量呈線性增加。

圖6 不同旋轉(zhuǎn)角下的泄漏特性

不同旋轉(zhuǎn)角度下泄漏量的變化主要是由射流特征變化進(jìn)而引發(fā)的耗散作用產(chǎn)生。改變旋轉(zhuǎn)角度改變了射流速度，加劇了泄漏流與內(nèi)壁面的摩擦作用，同時(shí)給分離渦注入能量，加強(qiáng)了渦的耗散。對(duì)于本文的密封結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)效應(yīng)主要包括甩油環(huán)處的流束收縮效應(yīng)與節(jié)流效應(yīng)、腔室內(nèi)的湍流耗散效應(yīng)(湍動(dòng)能耗散成為熱能)、壁面的剪切效應(yīng)以及透氣效應(yīng)。腔室的湍流耗散和壁面剪切有助于提升密封性能，而透氣效應(yīng)則弱化了密封性能。不同轉(zhuǎn)角下甩油環(huán)密封的封嚴(yán)性能同時(shí)還受甩油環(huán)下部喉道有效通流面積的影響。轉(zhuǎn)角低于2π/3時(shí)，隨著轉(zhuǎn)角的增大，有效通流面積減小，封嚴(yán)性能增強(qiáng)；當(dāng)轉(zhuǎn)角高于2π/3時(shí)，隨著轉(zhuǎn)角的增大，有效通流面積增大，封嚴(yán)性能弱化。

4 結(jié)論

對(duì)不同旋轉(zhuǎn)角度、懸臂/壁面間隙和進(jìn)出口壓差條件下甩油環(huán)密封的流動(dòng)與泄漏特性進(jìn)行了數(shù)值研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)甩油環(huán)密封的泄漏量同時(shí)取決于射流剛度和射流入射角度。射流雷諾數(shù)越大，射流剛性越強(qiáng)，入射角度越趨近于射流出口角度，但同時(shí)油相流量增加。

(2)不同旋轉(zhuǎn)角度、懸臂/壁面間隙和進(jìn)出口壓差對(duì)甩油環(huán)密封的泄漏特性有重要影響。懸臂/壁面間隙增大，泄漏量逐漸增加。泄漏量隨懸臂/壁面間隙的變化存在臨界值。當(dāng)間隙值低于臨界值時(shí)，間隙減小帶來(lái)的泄漏量降低效果并不顯著；間隙值高于臨界值時(shí)，泄漏量急劇增大,之后趨于平緩并接近無(wú)甩油環(huán)時(shí)的泄漏量。設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮結(jié)構(gòu)的流動(dòng)及強(qiáng)度特性，間隙值應(yīng)略低于臨界值。

(3)一定間隙下，甩油環(huán)懸臂存在最佳轉(zhuǎn)角。當(dāng)轉(zhuǎn)角低于臨界值時(shí)，密封泄漏量隨著轉(zhuǎn)角的增大而降低，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度高于臨界值時(shí)，泄漏量隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大。