李志宇 閆方琦 徐魯帥 宋 勇 姚 源

(1.西安航天動(dòng)力研究所 陜西西安 710100；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710049)

螺旋槽機(jī)械密封與波錐壩密封在非接觸式機(jī)械密封中都有廣泛的應(yīng)用[1-3]。特別是螺旋槽密封具有良好的動(dòng)壓承載效果及泵送效應(yīng)，在中高速轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性與可靠性[4-8]，但其在液氮等低黏介質(zhì)環(huán)境下存在承載性能不足的問題，尤其是轉(zhuǎn)速較低時(shí)，容易造成密封在啟動(dòng)與停車階段發(fā)生異常摩擦磨損。

波錐壩密封由YOUNG與LEBECK于1989年提出并進(jìn)行測試[1]，有良好的動(dòng)靜壓承載性能，同時(shí)有效減小了摩擦面積與泄漏量。王曉雪等[9]對(duì)核主泵波錐壩機(jī)械密封(WTD)的動(dòng)壓及靜壓承載性能進(jìn)行解耦分析，指出在正常工況下主要依靠靜壓承載，而在密封間隙較小或密封出入口壓差較小時(shí)，動(dòng)壓效應(yīng)才起作用。LIU等[10]研究了擾動(dòng)工況下WTD密封的穩(wěn)定性及瞬態(tài)性能，同時(shí)考慮液膜空化對(duì)承載性能的影響，發(fā)現(xiàn)波幅對(duì)其影響最為顯著。BLASIAK和ZAHORULKO[11]對(duì)徑向直線槽、螺旋槽、錐度、波度密封的穩(wěn)、瞬態(tài)性能進(jìn)行比較，為減低磨損、控制泄漏、提高壽命設(shè)計(jì)提供參考。

基于以上2種表面織構(gòu)的優(yōu)異性能，本文作者提出了一種新型組合式機(jī)械密封槽型結(jié)構(gòu)，即“螺旋槽-波錐壩”機(jī)械密封。該結(jié)構(gòu)在低速狀態(tài)下，可利用波錐槽的靜壓性能產(chǎn)生更高的承載能力；在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，螺旋槽產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)占主要部分，而波錐槽亦可起到一定增強(qiáng)作用。文中對(duì)組合槽與螺旋槽、波錐壩的密封性能進(jìn)行比較，并進(jìn)一步分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況參數(shù)對(duì)性能參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果可為特殊工況及特種設(shè)備用密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型及控制方程

1.1 數(shù)學(xué)模型

圖1與圖2分別示出了密封整體結(jié)構(gòu)與表面槽型結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧及輔助系統(tǒng)組成。外徑側(cè)為高壓密封介質(zhì)，內(nèi)徑側(cè)為環(huán)境壓力。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 密封面槽型結(jié)構(gòu)

1.2 控制方程

根據(jù)液膜在密封間隙中的流動(dòng)特征，對(duì)密封間隙內(nèi)薄膜流場做如下簡化[2,10]：忽略表面粗糙度及慣性力的影響；密封端面間為等溫狀態(tài)，層流運(yùn)動(dòng)，動(dòng)環(huán)表面與黏附于表面的流體無相對(duì)滑動(dòng)。全液膜潤滑的液體潤滑機(jī)械密封端面液膜流場的控制方程，如式(1)所示。

(1)

式中:Φ為液膜密度比，Φ=ρ/ρc，ρ為端面間任意點(diǎn)液膜密度，ρc為密封介質(zhì)的密度。

膜厚方程如式(2)所示。

(2)

密封端面流體的有限差分法控制體如圖3所示，在極坐標(biāo)系下各節(jié)點(diǎn)標(biāo)注及相鄰控制體中心分別為N、S、E、W、P，中心控制體P(i,j)范圍如圖中封閉實(shí)線所示。單元控制體周向長度為Δθ，徑向長度為Δr。

圖3 控制體積示意

采用中心差分格式對(duì)式(1)左式第一項(xiàng)(θ方向壓差流)進(jìn)行展開：

(3)

采用中心差分格式對(duì)式(1)左式第二項(xiàng)(r方向壓差流)進(jìn)行展開：

(4)

考慮膜厚突變導(dǎo)致計(jì)算數(shù)值震蕩，采用向后差分法[12]對(duì)式(1)右式第一項(xiàng)(對(duì)流項(xiàng))進(jìn)行展開：

(5)

方程求解過程中設(shè)置的邊界條件為

(1)強(qiáng)制性邊界條件：

內(nèi)徑處：p=pi，Φ(r=ri,θ)=1；

外徑處：p=po，Φ(r=ro,θ)=1。

(2)周期性邊界條件：

(3)JFO空化邊界條件[13]：

1.3 控制方程求解

對(duì)式(3)—(5)進(jìn)行聯(lián)立，簡化后可得[14]：

Ai,j·pi+1,j+Bi,j·pi-1,j+Ci,j·pi,j+1+Di,j·pi,j-1-pi,jEi,j-Fi,jΦ(i,j)+Gi,jΦ(i-1,j)=0

(6)

式(6)中各系數(shù)表達(dá)式為

E(i,j)=A(i,j)+B(i,j)+C(i,j)+D(i,j)，

式(6)在移項(xiàng)處理后得到如式(7)、(8)所示的壓力及液膜密度比表達(dá)式：

pi,j=(Ai,jpi+1,j+Bi,jpi-1,j+Ci,jpi,j+1+Di,jpi,j-1-Fi,jΦ(i,j)+Gi,jΦ(i-1,j))/Ei,j

(7)

Φi,j=(Ai,jpi+1,j+Bi,jpi-1,j+Ci,jpi,j+1+Di,jpi,j-1-

Ei,jpi,j+Gi,jΦi-1,j)/Fi,j

(8)

進(jìn)一步，利用超松弛迭代法(SOR)交替求解液膜壓力場及密度場分布，收斂因子選取Ω為1.8時(shí)式(9)和式(10)有較好的收斂速度與數(shù)值穩(wěn)定性。

(9)

(10)

壓力計(jì)算結(jié)果滿足式(11)迭代收斂的精度要求時(shí)，完成壓力場求解。

(11)

2 不同槽型結(jié)構(gòu)性能的比較

文中計(jì)算選取參數(shù)為：內(nèi)徑ri為42.75 mm，外徑ro為62.75 mm，槽根半徑rg為50.75 mm，轉(zhuǎn)折半徑rz為54.75 mm，內(nèi)徑壓力pi為0.1 MPa，外徑壓力po為1.0 MPa，轉(zhuǎn)速ω為3 000 r/min，膜厚h0為5 μm，螺旋槽角α為30 °，槽深hg為9 μm，槽數(shù)Ng為20，波錐比αz為0.4(波度與錐度的比值[9])，等效錐度β為400 μrad，波數(shù)Nw為20，密封介質(zhì)為水。

首先對(duì)組合槽、螺旋槽與波錐槽機(jī)械密封的性能參數(shù)進(jìn)行比較，得到圖4所示壓力云圖。比較三者可以發(fā)現(xiàn)，圖4(a)中組合槽存在2個(gè)壓力峰值，分別位于波度面的收斂間隙處與螺旋槽根徑的尖點(diǎn)，而且其壓力等高線分布密集，存在壓力的急劇變化；圖4(b)中螺旋槽壩區(qū)壓力分布稀疏，壓力變化平穩(wěn)；在圖4(c)中，波錐槽高壓區(qū)域分布在波度面的收斂區(qū)域，其依靠錐度與波度產(chǎn)生的靜壓與動(dòng)壓聯(lián)合承載?？傮w來看，因新型組合槽同時(shí)具備螺旋槽、波錐槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在密封介質(zhì)從密封端面由高壓外徑側(cè)向內(nèi)徑側(cè)流動(dòng)過程中存在2次動(dòng)態(tài)增壓，其壓力分布也具備兩者的共同優(yōu)勢，流體潤滑膜剛度得到增加，從而提高其承載能力。

圖4 3種槽型壓力分布云圖

螺旋槽尖點(diǎn)所在角度、螺旋槽根空化區(qū)域的徑向最高壓力、最低壓力分布曲線，分別如圖5中實(shí)線與虛線所示。比較三者可以發(fā)現(xiàn)，在螺旋槽、錐面、周向波度、壩區(qū)等收斂間隙的共同作用下，組合槽產(chǎn)生最高的液膜承載力，并且存在很大面積的高壓區(qū)，都會(huì)對(duì)密封的承載能力與剛度產(chǎn)生積極作用。并且組合槽型的低壓區(qū)域相比于螺旋槽有一定的上升，規(guī)避了發(fā)散間隙的壓力衰減。然而，與之相對(duì)應(yīng)的是存在較大面積的低壓區(qū)域，空化率也伴隨而產(chǎn)生。綜合性能比較見圖6，組合槽的承載力與摩擦扭矩最為理想，而螺旋槽擁有最為顯著的液膜剛度特性。受波度發(fā)散區(qū)域較大的影響，組合槽與波錐槽均有很大的空化區(qū)域，不過可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)有效降低該問題的影響，如非對(duì)稱波度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等[15]。

圖5 3種槽型最高與最低壓力比較

圖6 3種槽型密封性能比較

3 參數(shù)對(duì)性能的影響分析

為更直觀分析不同參數(shù)對(duì)螺旋槽-波錐度密封性能的影響，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行工況參數(shù)對(duì)密封性能(液膜承載力Ff、泄漏量Q、摩擦扭矩Mf、空化率C以及液膜剛度Kz)的影響規(guī)律。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

3.1.1 等效錐度的影響

圖7所示為密封性能隨等效錐度的變化規(guī)律。如圖7(a)所示，徑向錐度增加會(huì)將外徑高壓密封介質(zhì)引入端面間隙，提高靜壓承載能力，但同時(shí)過大的錐角將使徑向間隙產(chǎn)生發(fā)散，進(jìn)而降低螺旋槽收斂區(qū)域的動(dòng)壓效果，而動(dòng)壓承載能力占主導(dǎo)作用，因此造成了總承載能力的下降。同時(shí)，帶來的另一影響是壓差流的增加，導(dǎo)致泄漏量增加。如圖7(b)所示，摩擦扭矩與液膜剛度隨錐度的增加而減小，而空化率呈階梯狀增加的變化趨勢。

圖7 等效錐度β對(duì)密封性能的影響

3.1.2 波錐比的影響

圖8 波錐比αz對(duì)密封性能的影響

3.1.3 波數(shù)的影響

圖9示出了波數(shù)對(duì)密封性能的影響，波數(shù)對(duì)密封承載性能的影響非常顯著，其變化規(guī)律也最為復(fù)雜。在螺旋槽數(shù)一定的情況下，波數(shù)與螺旋槽數(shù)盡可能相近才會(huì)在同一周向角度下形成重合的高壓區(qū)，對(duì)液膜承載能力產(chǎn)生積極影響；若波數(shù)與槽數(shù)相差較大，可能會(huì)造成在螺旋槽壓力峰值角度的徑向位置對(duì)應(yīng)波度的低谷區(qū)，這樣液膜承載力會(huì)大大降低；隨著波數(shù)的增加，在特定角度又會(huì)出現(xiàn)重合情況，因此圖中表現(xiàn)出波動(dòng)變化規(guī)律。摩擦扭矩與液膜剛度呈現(xiàn)類似規(guī)律，波數(shù)對(duì)空化率的影響不大。

圖9 波數(shù)Nw對(duì)密封性能的影響

3.1.4 徑向?qū)挾缺鹊挠绊?/p>

徑向?qū)挾缺鹊谋憩F(xiàn)形式為壩區(qū)的不斷減小、螺旋槽根半徑與轉(zhuǎn)折半徑的不斷向端面中徑位置的延伸，如圖10所示，徑向?qū)挾缺葘?duì)密封性能的影響非常顯著。首先，壩區(qū)的不斷減小導(dǎo)致端面間隙流量的不斷增加，由于壩區(qū)阻塞效應(yīng)的降低，兩高壓側(cè)區(qū)域的位置不斷靠近，因此動(dòng)壓承載能力也不斷增強(qiáng)，液膜剛度也不斷增加，與之對(duì)應(yīng)的為摩擦扭矩的降低，空化率隨著徑向?qū)挾缺鹊脑黾映氏葴p小后增加的趨勢，在壩區(qū)寬度為6 mm時(shí)達(dá)到最小值。

圖10 徑向?qū)挾缺菳r對(duì)密封性能的影響

3.1.5 螺旋角的影響

圖11示出了螺旋角對(duì)密封性能的影響，可知，液膜承載力、液膜剛度泄漏量都隨螺旋角的增大而減小，并且泄漏量逐漸由正值衰減為負(fù)值，泵送效應(yīng)慢慢減弱，壓差流逐漸占據(jù)主導(dǎo)；表面螺旋角越小，其動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)，泵送效果越明顯。摩擦扭矩隨螺旋角的變化規(guī)律不顯著，空化率呈先增后減趨勢，當(dāng)前工況下空化區(qū)域較小，最高峰值接近1%。

圖11 螺旋角α對(duì)密封性能的影響

3.1.6 螺旋槽數(shù)的影響

如圖12所示，液膜承載力、泄漏量與液膜剛度隨槽數(shù)的增加呈先增后減的變化情況，在槽數(shù)為40時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)有較好的承載效果，泵送效應(yīng)也非常理想，并且此時(shí)空化率為0，即沒有空化現(xiàn)象的發(fā)生。但是摩擦扭矩隨槽數(shù)的增加緩慢增大，但相對(duì)增長率仍保持在很低的范圍，槽數(shù)大約為35之后再無空化現(xiàn)象的發(fā)生。

2012年后，阿4段高達(dá)75%的措施有效率引起地質(zhì)研究人員的重視。他們通過地震資料精細(xì)解釋及實(shí)鉆資料分析，首次發(fā)現(xiàn)并刻畫出阿4段河道砂巖性油氣藏，并陸續(xù)部署DK32X、DK33H、DK35H、DK37H等井，均實(shí)現(xiàn)良好建產(chǎn)。截至2018年10月初，阿4段河道砂巖性油氣藏日產(chǎn)油27.8噸，占該油田日產(chǎn)量的42%，已累計(jì)產(chǎn)油4.27萬噸，累計(jì)產(chǎn)氣0.47億立方米。

3.1.7 螺旋槽深的影響

圖13示出了螺旋槽開槽深度對(duì)密封性能的影響，如圖所示，隨著槽深的增加，摩擦扭矩逐漸減小，液膜承載力、泄漏量、液膜剛度先增加后減小，在槽深為9 μm時(shí)達(dá)到最大值，且其變化規(guī)律相似，說明三者之間存在正相關(guān)關(guān)系；槽深較小時(shí)空化率較大，收斂迎風(fēng)側(cè)間隙較小不足以形成很強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng)，然而，過深的槽深會(huì)造成底部流動(dòng)能量的損失，同樣會(huì)衰減動(dòng)壓效應(yīng)。

3.2 工況參數(shù)的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響非常直觀，如圖14所示，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，各參數(shù)都呈線性增加的變化規(guī)律，轉(zhuǎn)速增加也會(huì)導(dǎo)致螺旋槽黏性剪切作用的增強(qiáng)，將間隙的壓差流通過螺旋槽的泵送作用不斷反輸至外徑，泄漏量由負(fù)值增至正值。表示端面液體的流動(dòng)方向發(fā)生了改變，由原先的外徑側(cè)向內(nèi)徑側(cè)流動(dòng)(壓差流)轉(zhuǎn)換為相反方向(泵送流)。

圖14 轉(zhuǎn)速n對(duì)密封性能的影響

外徑側(cè)壓力變化對(duì)密封性能參數(shù)的影響主要通過影響波錐槽產(chǎn)生的壓力分布來體現(xiàn)。壓力的升高對(duì)組合槽密封來說其優(yōu)勢將會(huì)更加凸顯，因其設(shè)計(jì)初衷即為了更好利用外徑側(cè)壓力來改善潤滑狀態(tài)。如圖15所示，外徑壓力主要會(huì)對(duì)波度錐面的靜壓承載效果造成影響，在波錐壩與螺旋槽的共同作用下，液膜承載力不斷增加，螺旋槽的泵送作用不足以完全將壓差流反輸，因此向內(nèi)徑的泄漏不斷增加。外徑壓力的增加也抑制波度發(fā)散區(qū)空化的發(fā)生，摩擦扭矩變化微小，液膜剛度不斷降低。

圖15 外徑壓力po對(duì)密封性能的影響

內(nèi)徑壓力對(duì)密封性能的影響如圖16所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)徑壓力的增大，泄漏量與承載力均不斷增加，動(dòng)壓承載效果持續(xù)增強(qiáng)，同時(shí)內(nèi)徑側(cè)壓力的增加有效抑制了空化現(xiàn)象的發(fā)生，還可以將高壓液體不斷通過螺旋槽泵送值密封間隙以形成更高的膜壓，液膜剛度不斷增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提升。

圖16 內(nèi)徑壓力pi對(duì)密封性能的影響

如圖17所示，膜厚變化對(duì)組合槽機(jī)械密封性能有非常顯著的影響，膜厚增加可使外徑側(cè)高壓介質(zhì)引入密封間隙，增強(qiáng)靜壓承載效果，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)壓承載性能降低。間隙增大導(dǎo)致泄漏量由正值降為負(fù)值，液膜剛度、空化率、摩擦扭矩均不斷減小。

圖17 膜厚h0對(duì)密封性能的影響

4 結(jié)論

(1)新型組合槽機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)相比較于螺旋槽與波錐壩機(jī)械密封有更好的流體動(dòng)壓效果，在低黏環(huán)境下可產(chǎn)生更強(qiáng)的液膜承載力且能有效提升端面潤滑性能，另外在重載工況、超寬環(huán)密封設(shè)計(jì)等情況下也可具備較好的密封性能。

(2)波數(shù)與螺旋槽數(shù)重合時(shí)在徑向出現(xiàn)2個(gè)壓力峰值，相較于單一槽型結(jié)構(gòu)擁有更好的承載能力與較小的摩擦扭矩。

(3)液膜力與泄漏量隨波錐比或徑向?qū)挾缺鹊脑黾佣龃螅鈴綁毫娃D(zhuǎn)速越大，組合槽對(duì)承載性能提升越顯著。