李雙喜，馬鈺虎，張山雨，沙廉翔，陳坤毅，廖浩然

(1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.中國航天標準化研究所，北京 100071)

0 引 言

刷式密封作為一種新型接觸式柔性動密封裝置，已廣泛運用于航空發(fā)動機、燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械。刷式密封獨特的柔性刷絲可以很好地適應轉(zhuǎn)子的徑向跳動，在改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時也提高了機組效率[1]。

刷式密封常用的刷絲材料多為鈷基、鎳基高溫合金材料[2-4]，金屬刷絲與轉(zhuǎn)子之間高強度的摩擦會使密封腔內(nèi)溫度升高、并產(chǎn)生局部高溫。隨著密封技術的發(fā)展，刷式密封開始選用一些非金屬刷絲材料，可以降低刷封整體重量以及刷絲和轉(zhuǎn)子的摩擦磨損。刷絲摩擦生熱造成的密封腔溫升和局部高溫，以及熱量進入軸承腔會嚴重降低機組性能，故對柔性絲刷式密封的摩擦生熱特性、傳熱特性和對軸承腔體隔熱特性的研究尤為重要。

許多學者[5-10]對刷式密封傳熱特性進行了大量研究。PEKRIS等[11]對傳統(tǒng)結構和環(huán)形平衡腔結構刷式密封的泄漏和傳熱特性進行了對比研究，證明了環(huán)形平衡腔結構刷式密封的優(yōu)異性能；OWEN等[12]通過試驗對刷絲、密封流體和轉(zhuǎn)子之間的熱量傳遞特點進行了研究，并基于試驗結果數(shù)值模擬了刷絲和轉(zhuǎn)子的溫度分布；DOGU和AKSIT[13]通過添加熱流量對刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱進行了表征，數(shù)值分析了刷式密封的溫度分布；孫丹等[14]基于三維實體建立了刷式密封傳熱模型，數(shù)值分析了一些參數(shù)對刷絲最高溫度的影響規(guī)律。

前人研究的多為金屬絲刷式密封，對非金屬絲刷式密封研究較少，且更缺乏對生熱、傳熱和對軸承腔體隔熱性能的綜合研究。

筆者采用碳纖維刷絲，提出一種大過盈柔性絲刷式密封結構；建立碳纖維刷式密封和金屬絲刷式密封CFD多孔介質(zhì)數(shù)值模型，首次采用兩段柔性刷絲變阻力參數(shù)設置，并結合試驗，對碳纖維刷式密封的摩擦生熱、沿擋板傳熱和對軸承腔體的隔熱性能進行全面研究。

1 大過盈柔性絲刷式密封結構

柔性絲刷式密封結構如圖1所示。

圖1 柔性絲刷式密封結構D-密封直徑；D1-前板內(nèi)徑；D2-后板內(nèi)徑；D3-密封外徑；hf-前板間隙；hb-后板間隙；s-刷絲過盈量；B1-前板厚度；B2-后板厚度；B-刷絲厚度

圖1中，柔性絲刷式密封包括前擋板、后擋板和碳纖維刷絲，兩擋板通過過盈配合固定住刷絲，刷絲與轉(zhuǎn)子接觸形成兩段密封界面，即垂直轉(zhuǎn)子段刷絲和平行轉(zhuǎn)子段刷絲。

刷式密封工作過程中多個部位進行摩擦生熱，但主要熱源是刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱。摩擦熱會使刷封產(chǎn)生局部高溫區(qū)，影響刷絲和轉(zhuǎn)子性能，熱量沿刷封出口傳至軸承腔體，會影響機組工作性能。

2 數(shù)值方法

筆者選取多孔介質(zhì)模型對刷式密封的傳熱特性進行了分析預測，即將刷束區(qū)當成多孔介質(zhì)來處理。刷式密封的流體區(qū)域就分為高、低壓側(cè)的普通流體區(qū)和處理成多孔介質(zhì)的刷束區(qū)。

普通流體為可壓縮的紊流流動，結合連續(xù)性方程和動量方程進行求解，如下式所示：

(1)

(2)

刷束區(qū)會對流經(jīng)其內(nèi)部的流體產(chǎn)生阻礙作用，需添加阻力源項對動量方程進行修正，如下式所示：

(3)

(4)

式中：Fi—刷束區(qū)阻力源項；Dij—黏性阻力系數(shù)矩陣；Cij—慣性阻力系數(shù)矩陣。

黏性阻力系數(shù)αi和慣性阻力系數(shù)βi一般根據(jù)試驗結果推出，也可根據(jù)經(jīng)驗公式計算[15]，如下式所示：

(5)

(6)

式中：z，n，m—沿軸向、刷絲周向以及徑向的阻力系數(shù)；d—刷絲直徑；ε—孔隙率。

當刷絲排布無徑向傾斜角時，可由經(jīng)驗公式求得刷束的孔隙率，如下式所示：

(7)

式中：d—刷絲直徑；N—刷絲排列密度；L—刷束厚度。

流體經(jīng)過刷束區(qū)會發(fā)生壓力降，故泄漏流體選擇理想的可壓縮氣體，如下式所示：

p=RTρ

(8)

式中：p—壓力；ρ—流體密度；R—理想氣體常數(shù)；T—熱力學溫度常數(shù)。

將刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱Q處理成繞轉(zhuǎn)子表面的環(huán)形熱源，并通過在摩擦面添加熱流密度q進行表征，如下式所示：

Q=Ff·V=μ·Fn·V

(9)

q=Q·S

(10)

式中：Ff—刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦力；Fn—刷絲與轉(zhuǎn)子的法向接觸力；μ—摩擦系數(shù)；V—轉(zhuǎn)子表面線轉(zhuǎn)速；S—摩擦面面積。

3 計算模型

3.1 大過盈柔性絲刷式密封計算模型

柔性絲刷式密封、刷封內(nèi)部流體及刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱源均在圓周上呈軸對稱結構。故進行柔性絲刷式密封傳熱特性數(shù)值分析時，筆者選取圓周方向上1°的模型進行計算，在保證計算準確的同時也可降低計算成本。

柔性絲刷式密封網(wǎng)格劃分前后模型如圖2所示。

圖2 柔性絲刷式密封模型

為了使計算結果更加準確，筆者對刷束區(qū)網(wǎng)格進行加密處理，刷束區(qū)用線框標明。

柔性絲刷式密封傳熱特性數(shù)值計算的幾何參數(shù)取值如表1所示。

表1 主要結構尺寸

大過盈柔性刷絲布置如圖3所示。

圖3 刷絲布置圖

平行轉(zhuǎn)子段刷絲在理想狀態(tài)緊密排布和實際散列排布時的關系如下式所示：

(11)

式中：ε1—平行段刷束緊密排布孔隙率，即為垂直段刷束孔隙率；ε2—平行段刷束散列排布孔隙率；V1—平行段刷束區(qū)緊密排布體積；V2—平行段刷束區(qū)散列排布體積。

當計算域選取角度較小時，可忽略旋轉(zhuǎn)時造成的弧度體積誤差，此時有：

(12)

式中：A1—平行段刷束區(qū)緊密排布面積；A2—平行段刷束區(qū)散列排布面積。

筆者對兩段刷束的孔隙率和阻力系數(shù)按照各自相應的阻力方向進行設置，同時在摩擦界面添加環(huán)形熱流密度表征摩擦熱源，按式(9，10)計算，其中，摩擦力通過試驗測量。

3.2 傳統(tǒng)徑向金屬絲刷式密封計算模型

為了直觀、準確地進行對比，除大過盈刷絲特征外，保證金屬絲刷式密封其他結構參數(shù)與柔性絲刷式密封一樣。筆者也在圓周方向上選取1°的模型進行計算。

金屬絲刷式密封模型、網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 金屬絲刷式密封模型

筆者同樣對刷束區(qū)進行網(wǎng)格加密，根據(jù)文獻[16]計算出金屬絲刷式密封摩擦面環(huán)形熱流密度表征其摩擦熱。

柔性絲和金屬絲刷式密封模型具體結構參數(shù)如表2所示。

表2 主要結構尺寸

3.3 邊界條件

筆者使用Fluent軟件進行數(shù)值計算。普通流體域采用k-ε紊流模型，刷束區(qū)采用多孔介質(zhì)模型，并選擇層流模型；模型沿1°的切面設為周期性邊界，與轉(zhuǎn)子接觸的壁面設為旋轉(zhuǎn)壁面，在刷絲與轉(zhuǎn)子接觸壁面上添加熱流密度表征摩擦熱，采用壓力基進出口壁面；并根據(jù)所需工況設置壓力轉(zhuǎn)速和溫度。

工況條件具體取值設置如表3所示。

表3 邊界條件

4 數(shù)值計算結果

4.1 溫度場分析

此處柔性絲選用碳纖維絲，金屬絲選擇haynes25材料，并對兩種刷式密封進行溫度場分析；根據(jù)溫度場提取刷封最高溫和擋板平均溫度，預測兩種刷式密封的摩擦生熱性能和傳熱性能。

刷絲和擋板材料屬性如表4所示。

表4 材料屬性表

20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下兩種刷式密封的溫度分布如圖5所示。

圖5 溫度云圖

圖5(a)中，由于刷絲和擋板接觸緊密且碳纖維導熱性能好，使熱源處大部分熱量先傳入刷束然后再傳遞至擋板，且遠離熱源處的刷束和擋板無明顯溫度梯度；熱源處剩余熱量通過泄漏流體攜帶，傳至下游區(qū)，說明泄漏流體對刷封有一定的冷卻作用。

上游流體主要靠擋板傳遞熱量，而下游流體靠擋板和高溫泄漏流體共同傳熱，故下游流體平均溫度比上游流體高。

圖5(b)中，金屬絲刷式密封溫度云圖與碳纖維刷式密封近似相同。由于金屬絲導熱性低于碳纖維絲，金屬絲刷式密封由熱源向擋板的溫度梯度明顯較大，沿擋板的熱傳遞效率較低，熱流量主要通過泄漏流體傳遞至低壓側(cè)軸承腔體，嚴重影響發(fā)動機性能。

壓差ΔP對摩擦生熱和熱量沿擋板散熱性能的影響曲線如圖6所示。

圖6 壓差對摩擦生熱和散熱性能的影響

由圖6(a)可知，刷式密封最高溫Th隨著壓差ΔP的增大逐漸降低，壓差增大時泄漏量升高，從而攜帶出更多的熱量，進一步驗證了泄漏流體的冷卻作用；碳纖維刷式密封摩擦生熱要遠低于金屬絲刷式密封，因為其生熱基數(shù)較小，最高溫隨壓差的變化幅度也低于金屬絲刷式密封。

圖6(b)中，因為泄漏流體的冷卻作用，擋板平均溫度Ta隨著壓差ΔP增大逐漸降低；碳纖維刷封擋板溫度總體低于金屬絲刷封，且大壓差時擋板溫度逐漸接近，因為隨著壓差的增大，金屬絲刷封泄漏流更大，冷卻作用更明顯，其擋板溫度逐漸接近碳纖維刷封擋板。

從圖6(a，b)中可知，金屬絲刷封最高溫和擋板溫度隨壓差變化幅度較大，故其溫度比隨壓差的增大也較碳纖維刷封更明顯。

通過擋板平均溫度與刷封最高溫的比值Tr可用來反映刷封沿擋板傳遞熱量的能力。如圖6(c)所示，碳纖維刷式密封的溫度比高于金屬絲刷封，故其沿擋板的傳熱能力較高，能有效降低刷封的局部過熱，降低“高溫區(qū)”溫度。

4.2 熱流量分析

筆者通過對比壓差ΔP、進口溫度Tj、轉(zhuǎn)速N、前板間隙hf、后板間隙hb、刷束厚度B對兩種刷式密封出口熱流量Φ的影響，分析不同工況和結構參數(shù)對刷式密封隔熱性能(阻擋熱量進入軸承腔體的能力)的影響。

6種參數(shù)對熱流量的影響如圖7所示。

圖7(a)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速時熱流量隨壓差的變化曲線。隨著壓差的增大，攜帶熱量的泄漏流體增大，故出口熱流量逐漸增大；碳纖維刷式密封出口熱流量遠遠低于金屬絲刷封，且最小時僅為金屬絲刷封的17%左右，能有效地降低熱量向軸承腔體的傳遞。

圖7(b)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下熱流量隨進口溫度的變化曲線。隨著進口溫度的增加，泄漏流體攜帶的熱量增加，故出口熱流量逐漸增大。因為碳纖維刷封沿擋板的散熱能力較強，泄漏流將攜帶更少的熱量，其出口熱流量隨進口溫度的變化幅度小于金屬絲刷封；且碳纖維刷封出口熱流量遠低于金屬絲刷封。

圖7(c)為選取20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下的固定熱源，單因素分析轉(zhuǎn)速對出口熱流量的影響曲線。由圖可知，碳纖維刷封出口熱流量遠低于金屬絲刷封。隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子表面線速度增大，流體和刷絲以及擋板間的換熱效率提高，攜帶的熱量增多；但轉(zhuǎn)速增加的同時泄漏量降低，攜帶熱量的流體減少，二者共同作用決定了出口的熱流量。

圖7 結構參數(shù)和工況參數(shù)對熱流量的影響

由圖7(c)中，碳纖維刷封熱流量曲線可知，轉(zhuǎn)速增大前期，換熱效率增大為熱流量變化的主要影響因素，出口熱流量增加；轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，換熱逐漸達到峰值，而泄漏量仍在降低，故出口熱流量開始下降；轉(zhuǎn)速再增加時，對泄漏量的影響越來越小，故熱流量逐漸趨于穩(wěn)定。兩種刷封熱流量變化趨勢相同，但金屬絲刷封熱流量升高的轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～30 000 r·min-1，碳纖維刷封為0～15 000 r·min-1，故碳纖維刷封熱流量受轉(zhuǎn)速的影響更小，在高轉(zhuǎn)速時隔熱性能更好。

圖7(d)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下熱流量隨前板間隙的變化曲線。碳纖維刷封出口熱流量遠低于金屬絲刷封。隨著前板間隙的增大，泄漏量增大，導致出口熱流量增大；碳纖維刷束區(qū)阻力大于金屬絲刷束，故其出口熱流量隨前板間隙的變化幅度較小，對阻止熱量傳入軸承腔體的能力更佳。

圖7(e)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下熱流量隨后板間隙的影響曲線。碳纖維刷封出口熱流量遠低于金屬絲刷封。后板間隙增大使得泄漏量增大，從而導致出口熱流量逐漸增大。結合圖7(d)可知，碳纖維刷式密封后板間隙對出口熱流量的影響程度要大于前板間隙，故考慮隔熱性能時，后板間隙的選擇需更加慎重。

圖7(f)為100 kPa壓差，無熱流密度時的熱流量變化曲線。刷束厚度增加，摩擦生熱也相應增加，因此在不考慮熱源情況下對刷束厚度對隔熱性能的影響進行單因素分析。碳纖維絲較金屬絲剛度低，刷束厚度較小時，刷絲容易被吹起。本文碳纖維刷式密封數(shù)值模型是在考慮刷絲吹起的基礎上建立的，故刷束厚度小的時候，碳纖維刷封的泄漏量和熱流量均較大。隨著刷束厚度的增大，碳纖維刷束整體剛度提高，吹起狀態(tài)減弱，其阻漏、阻熱性能提高，熱流量逐漸降低。故碳纖維刷封熱流量隨刷束厚度的變化而變化的幅度較大。

圖7(f)中，碳纖維刷封熱流量在0.6 mm刷束厚度時逐漸趨于穩(wěn)定，再增加刷束厚度只會徒增摩擦生熱，故該模型中碳纖維刷束取0.6 mm時刷封性能最好；且穩(wěn)定后的碳纖維刷封熱流量較低，隔熱性能更好。

5 試驗及結果分析

5.1 碳纖維刷式密封摩擦力測量試驗

摩擦力測量試驗裝置如圖8所示。

圖8 摩擦力測量試驗

圖8中，試驗裝置包括碳纖維刷式密封試驗件、跑道、試驗輔助裝置和高精度測力計；跑道固定并安裝試驗件，用測力計通過輔助裝置緩慢拉動刷封至均勻轉(zhuǎn)動，讀取拉力，并根據(jù)力學知識計算得出摩擦力。

試驗測得拉力以及相應的試驗件摩擦力如表5所示。

表5 測量結果

5.2 碳纖維刷式密封摩擦生熱試驗

5.2.1 試驗裝置

摩擦生熱試驗臺主要包括電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、試驗腔體系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 試驗裝置

圖9中，電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供動力，并通過調(diào)節(jié)變頻器實現(xiàn)所需工作轉(zhuǎn)速；進排氣系統(tǒng)給試驗提供高壓氣體，并通過調(diào)壓裝置得到所需工作壓力。

試驗腔體系統(tǒng)包括高低壓腔體、跑道、刷式密封，是試驗的主要裝置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力表、流量計和連接在刷封擋板上的熱電偶，對試驗中的壓力、泄漏和擋板溫度進行實時監(jiān)測。

5.2.2 試驗件

試驗用碳纖維刷式密封刷絲材料選用碳纖維絲，擋板選用S30408材料，如圖10所示。

圖10 刷式密封實物圖

試驗測量不同轉(zhuǎn)速下的擋板溫度，試驗件結構參數(shù)如表6所示。

表6 試驗件結構參數(shù)

5.2.3 試驗結果

在50 kPa壓差下，轉(zhuǎn)速N對擋板平均溫Ta和刷封最高溫Th的影響曲線如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的擋板溫度和刷封最高溫

由圖11可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，擋板溫度和刷封最高溫均逐漸增大；擋板溫度的試驗結果和數(shù)值結果變化趨勢近似一致，且最大誤差為9.4%，可以證明數(shù)值模擬的正確性；

由數(shù)值計算得到的刷封最高溫曲線可知，轉(zhuǎn)速為15 000 r·min-1時，最高溫約87 ℃，相比于傳統(tǒng)金屬絲刷式密封溫升較低，可見碳纖維刷式密封傳熱性能的優(yōu)越性。

試驗后的刷封和跑道如圖12所示。

圖12 試驗后試驗件

由圖12可知，刷絲在試驗后仍緊密均勻地排列，跑道磨痕輕微，可見碳纖維刷式密封具有良好的工作穩(wěn)定性和持久的工作壽命。

6 結束語

筆者通過數(shù)值計算和試驗相結合的方法，研究證明了新型大過盈碳纖維刷式密封具有優(yōu)越的性能；同時，得到以下結論：

(1)碳纖維刷式密封摩擦生熱低于金屬絲刷式密封，且碳纖維刷絲與擋板傳熱效率高于金屬絲，能有效降低密封腔的溫升，緩解刷封的局部過熱；

(2)不同工況和結構下的碳纖維刷式密封出口熱流量均遠低于金屬絲刷式密封，能有效減少熱量向低壓側(cè)軸承腔體的傳遞，保證機組性能；

(3)大壓差和高溫工況下碳纖維刷封出口熱流量升高，反之則降低，增大刷束厚度或降低前板間隙、后板間隙會降低熱量向軸承腔體的傳遞；

(4)轉(zhuǎn)速通過影響換熱效率和泄漏量，對出口熱流量有雙向影響，碳纖維刷式密封熱流量升高的轉(zhuǎn)速區(qū)間較小，更容易達到穩(wěn)定狀態(tài)。泄漏流攜帶的熱量是刷封出口處傳熱的主要來源；

(5)擋板溫度的試驗和數(shù)值結果變化趨勢一致，最大誤差為9.4%，證明數(shù)值模擬是準確的。