丁雪興 劉 紅 王世鵬 嚴(yán)如奇 徐 潔

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

柱面密封是一種浮動(dòng)式非接觸密封，因具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)，能有效地吸收密封軸的軸向和周向位移，減少因各種傾斜而引起的摩擦、磨損等優(yōu)勢(shì)，備受航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)密封領(lǐng)域的關(guān)注[1-3]。與傳統(tǒng)的迷宮密封相比，柱面密封間隙更小，且具有自動(dòng)對(duì)中的特性，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用柱面密封替換迷宮密封，能有效地降低泄漏量和動(dòng)靜碰摩[4]。

由于柱面密封的工作原理和氣體潤(rùn)滑軸承[5-6]相類似,目前關(guān)于柱面密封的研究大致可以分為兩類：一些學(xué)者[7-9]針對(duì)柱面密封在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)碰摩或流體密封等各類問(wèn)題建立密封氣膜模型，采用商業(yè)成熟軟件Fluent對(duì)其密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)模擬，最后用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證支撐；還有一些學(xué)者[10-14]根據(jù)密封氣膜模型，建立相對(duì)應(yīng)的雷諾方程及N-S方程，采用解析法、有限差分法及有限元法求解，得出氣膜的壓力分布，從而討論其參數(shù)對(duì)浮環(huán)密封系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響。但是以上都是基于單相介質(zhì)狀態(tài)下的研究成果，針對(duì)柱面氣液兩相介質(zhì)狀態(tài)下的研究目前鮮見(jiàn)報(bào)道。但對(duì)于動(dòng)壓軸承摩擦副以及其他場(chǎng)合的氣液兩相潤(rùn)滑已有相關(guān)研究[15]。FARRALL等[16-17]考慮軸承腔內(nèi)油滴行為的兩相流動(dòng)提出一種預(yù)測(cè)方法，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承室內(nèi)油滴、油膜之間的相互作用，以及氣相流場(chǎng)中油滴運(yùn)動(dòng)及碰撞狀態(tài)對(duì)潤(rùn)滑油流出狀態(tài)的影響進(jìn)行了分析，指出油滴的初始分布對(duì)油滴的分布有顯著的影響。GLAHN等[18-19]針對(duì)軸承室壁油膜流動(dòng)條件下的兩相流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象，從液膜單元的力平衡中獲得幾何條件和溫度相關(guān)的流體性質(zhì)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承室氣、油兩相流以及油膜流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,并嘗試通過(guò)流動(dòng)特征參數(shù)構(gòu)建換熱特性和工況結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。李世聰?shù)萚20]考慮變形對(duì)流體膜的影響，建立氣液兩相雷諾方程，用熱流固耦合方法和有限元的求解方法，探究不同參數(shù)對(duì)其密封性能的影響。郝木明等[21]針對(duì)阻塞氣壓力降低時(shí),被密封液相介質(zhì)進(jìn)入密封間隙可能會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，利用 Fluent 軟件流場(chǎng)模擬，探究了氣液兩相介質(zhì)、壓力分布及其密封性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。

因此，本文作者以航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔內(nèi)潤(rùn)滑油與加壓密封氣流在轉(zhuǎn)軸攪拌作用下形成復(fù)雜油氣兩相流動(dòng)為背景，研究氣液兩相介質(zhì)柱面螺旋槽流體動(dòng)壓密封穩(wěn)態(tài)性能；針對(duì)小油滴均勻分布在氣相中的油氣兩相狀態(tài)下的密封工況，基于氣液兩相幾何模型，利用專業(yè)流場(chǎng)仿真軟件Fluent得到油氣混合流體的壓力場(chǎng)；分析操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)壓密封性能的影響，得到氣液兩相潤(rùn)滑下柱面螺旋槽流體動(dòng)壓密封的重要參數(shù)性能的變化規(guī)律，為氣液混合潤(rùn)滑動(dòng)壓密封的兩相潤(rùn)滑特性及穩(wěn)定性研究提供參考。

1 模型建立

1.1 幾何模型

圖1所示為氣液兩相柱面螺旋槽流體動(dòng)壓密封系統(tǒng)簡(jiǎn)化的幾何模型，圖中Oj為轉(zhuǎn)軸圓心，Ob為浮環(huán)圓心，R1為轉(zhuǎn)軸的半徑，R2為浮環(huán)的半徑，ω為轉(zhuǎn)軸的半徑角速度，β為浮動(dòng)角，θ為轉(zhuǎn)動(dòng)角，Oj和Ob之間的距離為偏心距e，運(yùn)行參數(shù)ε=e/h，即偏心率ε為偏心距e與密封間隙h的比值。

1.2 控制方程

1.2.1 多相流模型

氣液兩相流是多相流的一種情況，兩相流模型的選擇問(wèn)題可以依照多相流模型來(lái)進(jìn)行選擇，目前常用的多相流模型主要包括VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型。其中，VOF模型主要適用于分層或者自由表面流動(dòng)，Mixture模型和Eulerian模型均適用于計(jì)算域內(nèi)有相混合或分離的情況，且分散相體積分?jǐn)?shù)大于10%的情況。但相比之下，Mixture模型計(jì)算量更小，且更穩(wěn)定[22]，因此文中選擇Mixture模型。由于密封腔中油氣兩相流體中的潤(rùn)滑油較少，因此在油氣兩相流體物理模型中，假設(shè)油滴均勻分布于空氣中，油滴之間相互作用力忽略不計(jì)，且油滴顆?；ハ嘀g不產(chǎn)生碰撞、破碎或聚合[23]；同時(shí)假設(shè)密封間隙的流體與軸套外表面以及浮環(huán)的內(nèi)表面沒(méi)有相對(duì)滑移，流體膜內(nèi)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)。Mixture模型控制方程如下：

(1)

(2)

式中:下標(biāo)m表示混合物;ρ為密度;v為速度;p為壓力;g為重力加速度；F1為體積力；μ為動(dòng)力黏度；vdr,k表示次相k滑移速度；αk表示第k相的體積分?jǐn)?shù)，n表示相的數(shù)目。

1.2.2 穩(wěn)態(tài)密封特性參數(shù)

在相同的工況條件下得到最大的浮升力和最小的泄漏量是對(duì)密封性能最好的解釋，為便于量化分析氣液兩相柱面流體膜密封的密封性能，用泄漏率和浮升力這2個(gè)指標(biāo)對(duì)密封性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)泄漏率：泄漏率直接反映了密封的密封效果，F(xiàn)luent軟件可以直接計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流體域出口的被密封介質(zhì)的質(zhì)量。

(3)

(2)流體膜浮升力：柱面流體膜密封在實(shí)際高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽的動(dòng)壓效應(yīng)會(huì)使得密封軸套與浮環(huán)分開(kāi)，使得其被推開(kāi)的開(kāi)啟力可由油氣兩相流體膜壓力場(chǎng)積分求得：

(4)

1.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

柱面非接觸式流體膜密封工作時(shí)在軸套和浮環(huán)之間形成了一層較薄且開(kāi)啟力較大的密封流體膜，這層流體膜起到了潤(rùn)滑、支撐和穩(wěn)定等作用[24-25]。劃分該模型的網(wǎng)格時(shí)存在3個(gè)難點(diǎn)：一是由于該模型的橫縱尺度跨度較大，需要在極其薄的氣膜厚度下保證網(wǎng)格質(zhì)量；二是螺旋線曲率較大，需要對(duì)其進(jìn)行多塊處理；三是切塊較多，需要建立大量輔助線完成Block映射。網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

為驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，如表1所示結(jié)構(gòu)參數(shù)下，取轉(zhuǎn)速20 000 rad/min，壓力0.4 MPa，液氣比0.1以及偏心率0.7。網(wǎng)格數(shù)目對(duì)流體膜浮升力及泄漏率的影響如圖3所示?？梢钥闯?，流體膜浮升力隨著網(wǎng)格數(shù)的不斷增加，先是快速增大，隨后趨于平穩(wěn)狀態(tài),而泄漏率是先增大，隨后泄漏率是逐漸變小的，為在模擬計(jì)算時(shí)提高計(jì)算效率的同時(shí)并減少工作量，文中采用數(shù)目為198 480的網(wǎng)格來(lái)計(jì)算。

1.4 求解流程及相關(guān)條件設(shè)置

將計(jì)算域網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Fluent中，設(shè)置材料參數(shù)和工況參數(shù)，采取穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算，流程如圖4所示。

具體的操作步驟如下：

(1)將質(zhì)量合格的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件中，選擇基于壓力求解器，設(shè)置穩(wěn)態(tài)求解方式;

(2)打開(kāi)Mixture多相流模型，選擇湍流模型；

(3)添加材料，并設(shè)置物性參數(shù)，同時(shí)設(shè)置主相為空氣，次相為油滴，不考慮表面張力的影響；

(4)設(shè)置螺旋槽和氣膜同面處作為壓力入口，靠近螺旋槽氣膜的槽根部作為壓力出口，并設(shè)置液氣比(是指液體占密封腔的體積分?jǐn)?shù));

(5)與動(dòng)環(huán)接觸的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，與靜環(huán)接觸的壁面設(shè)置為靜止壁面；

(6)采用SIMPLEC壓力速度耦合方法進(jìn)行求解，設(shè)置壓力、動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能均為QUICK格式。

1.5 流場(chǎng)模擬有效性驗(yàn)證

選擇油氣兩相流的相關(guān)經(jīng)典文獻(xiàn)[26]進(jìn)行流場(chǎng)算例驗(yàn)證，文獻(xiàn)中矩形通道是15 mm×50 mm，采用調(diào)節(jié)閥來(lái)控制油氣的占比，用每秒可拍攝15 000張照片的高速攝像機(jī)記錄通過(guò)間隙的兩相流流動(dòng)。以壓差為自變量，泄漏量為目標(biāo)參數(shù)，將文中Fluent模擬的數(shù)值與文獻(xiàn)值相比較，結(jié)果如圖5所示。雖然文獻(xiàn)結(jié)果與文中計(jì)算有一定的偏差，但其變化規(guī)律一致，且兩者最大誤差在11%以內(nèi)，從而證明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

在不考慮溫度因素的前提下，按圖3所示計(jì)算流程對(duì)氣液兩相柱面螺旋槽流體動(dòng)壓密封進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中所采用的工況參數(shù)及密封介質(zhì)物性參數(shù)如表2、表3所示。

表2 工況條件

表3 密封介質(zhì)物性參數(shù)

2.1 不同介質(zhì)下壓力分布

轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，進(jìn)口壓力為0.4 MPa,出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，純氣相介質(zhì)狀態(tài)下的壓力云圖如圖6(a)所示。隨著轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)軸套高速旋轉(zhuǎn)，氣體被泵吸入微槽內(nèi)，在間隙最小處產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，而且隨轉(zhuǎn)速和壓力的增大而愈發(fā)劇烈，同時(shí)在軸套與浮環(huán)偏心安裝所產(chǎn)生的楔形效應(yīng)作用下，產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，在兩者共同作用下軸套微槽內(nèi)氣膜最薄處壓力達(dá)到最大值。在軸向方向，由于壓差產(chǎn)生的壓力流以及動(dòng)壓效應(yīng)，使壓力在槽根處達(dá)到局部最大，其局部壓力最大值為0.412 MPa，隨后沿軸向方向壓力逐漸下降。同等工況下，當(dāng)密封介質(zhì)變?yōu)橛?氣兩相時(shí)，壓力云圖如圖6(b)所示?？煽闯觯?氣混合流體膜壓力分布趨勢(shì)與純氣相的總體相似，但液相的介入會(huì)增大流體膜各處膜壓大小，其中最大壓力為0.425 MPa。主要原因是油相介質(zhì)的黏度較大，所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力較大，對(duì)氣相介質(zhì)的阻塞程度增大，進(jìn)而有利于增強(qiáng)流體動(dòng)壓效應(yīng)。

2.2 工況參數(shù)對(duì)密封性能的影響

2.2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響

圖7給出了不同液氣比下，流體膜浮升力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，不同液氣比下，隨轉(zhuǎn)速的增加，流體膜浮升力均逐漸升高。其中液氣比為0(即為純氣相)時(shí)，在20 000～30 000 r/min范圍內(nèi)浮升力增長(zhǎng)2.10%；液氣比為0.1時(shí)，浮升力增長(zhǎng)2.77%；液氣比為0.2時(shí)，浮升力增長(zhǎng)9.6%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下，液氣比的增大有利于提高流體膜浮升力。主要是因?yàn)樵诠ぷ鏖g隙一定的情況下，密封的轉(zhuǎn)速越大，動(dòng)壓效果越強(qiáng)，而液氣比越大，壓力場(chǎng)就越大。

圖8給出了不同液氣比下，泄漏率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯寒?dāng)液氣比為0時(shí)(即純氣相為0)，泄漏率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；而當(dāng)含有液體時(shí)，泄漏率隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。其中液氣比為0.1時(shí)，泄漏率減小3.94%，液氣比為0.2時(shí)，泄漏率減小6.01%。這表明液氣比的增加，能有效阻止氣體的泄漏。主要原因是隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加，周向速度越大，而油相介質(zhì)的介入，能增大整體黏度，所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力會(huì)較大，進(jìn)而對(duì)氣相介質(zhì)的阻塞程度增大，因此當(dāng)油相介質(zhì)介入，泄漏率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。

2.2.2 壓差對(duì)密封性能的影響

圖9給出了不同液氣比下，流體膜浮升力與壓差的關(guān)系曲線。可以看出，隨壓差從0.2 MPa增加到1 MPa，液氣比從0(即為純氣相)增加到0.2時(shí)，浮升力均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于隨著液氣比的增加，混合物密度、黏度會(huì)增大，所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力就會(huì)變大，進(jìn)而對(duì)氣相介質(zhì)的阻塞程度增大，導(dǎo)致產(chǎn)生更強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng)；同時(shí)在軸套與浮環(huán)偏心安裝所產(chǎn)生的楔形效應(yīng)作用下，氣液兩相流體膜浮升力相比于純氣相就會(huì)更大一些。

圖10給出了不同液氣比下，泄漏率與壓差的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯寒?dāng)壓差由0.2 MPa增加到1 MPa，液氣比從0(即為純氣相)增加到0.2時(shí)，泄漏率的增長(zhǎng)率從79.1%降至62.26%，表明對(duì)于柱面微間隙流體膜來(lái)說(shuō)，流體動(dòng)壓主要是由密封環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的圓周式流動(dòng)和進(jìn)出口產(chǎn)生的壓力梯度導(dǎo)致的軸向流動(dòng)。隨著液氣比的增加，泄漏率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的，但是增長(zhǎng)的速度逐漸變慢，主要是隨著液相的介入，由于油滴的自身重力，總是集中在槽根部，進(jìn)而有效地阻止了氣體的泄漏，因此增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸變慢。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響

2.3.1 螺旋角對(duì)密封性能的影響

圖11給出了不同液氣比下，浮升力和螺旋角之間的關(guān)系曲線。如圖所示，流體膜浮升力隨著螺旋角的變大而逐漸減小，但浮升力隨液氣比的增大而顯著提高。歸其原因主要是隨螺旋角的不斷增大，螺旋槽母線曲率逐漸增大，使得槽型區(qū)域逐漸平緩，進(jìn)而螺旋槽對(duì)介質(zhì)的壓縮作用逐漸減弱，導(dǎo)致膜壓力下降，浮升力也相應(yīng)下降；隨液氣比的增加，使得混合物的黏度、密度整體增大，內(nèi)摩擦也增大，因此動(dòng)壓效果相對(duì)較強(qiáng)，表現(xiàn)為浮升力顯著增加。

圖12描繪了不同液氣比下，泄漏率隨螺旋角的變化。可以看出，隨螺旋角的增大，氣體泄漏量先增大后趨于平穩(wěn)。進(jìn)一步分析可以得出，當(dāng)液氣比為0時(shí)(即純氣相)泄漏速度比較快，隨著液氣比的增加，泄漏速度逐漸變慢而且泄漏量變少，說(shuō)明油相的存在有效地阻止了氣體的泄漏。

2.3.2 槽深對(duì)密封性能的影響

圖13給出了不同液氣比下，流體膜浮升力與槽深的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯弘S著槽深的加深，流體膜浮升力逐漸減小。主要原因是槽深的不斷加深，增大了流體膜厚度，因此流體動(dòng)壓效應(yīng)就會(huì)減弱，進(jìn)而浮升力就會(huì)減?。灰簹獗葹?.2時(shí)的浮升力均大于液氣比為0.1時(shí)，液氣比為0.1時(shí)的浮升力均大于液氣比為0時(shí)，說(shuō)明液氣比的增大對(duì)浮升力的提升是有益的。

圖14給出了不同液氣比下，泄漏率與槽深的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，泄漏率隨著槽深的增加逐漸增大。主要原因是隨螺旋槽槽深的不斷加深，密封介質(zhì)被帶入到槽內(nèi)的量就會(huì)越多，因此泄漏率就會(huì)逐漸增大。進(jìn)一步觀察可知：在液氣比為0時(shí)(即純氣相)，泄漏率較大，當(dāng)有液相介入時(shí)，泄漏率較小。主要原因是當(dāng)液相介入時(shí)，由于液體自身重力因素，轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，大部分液體聚集在槽根部，進(jìn)而有效地阻止了氣體的泄漏；隨液氣比增大，聚集在槽根部的量就會(huì)越多，因此氣體泄漏就會(huì)越少。

2.3.3 槽數(shù)對(duì)密封性能的影響

圖15給出了不同液氣比下，流體膜浮升力與槽數(shù)的關(guān)系曲線。可以看出，隨著槽數(shù)的增加，浮升力先增大后趨于平穩(wěn)，在螺旋槽數(shù)大于16以后，浮升力基本保持不變。主要原因是隨槽數(shù)的增加，油-氣混合介質(zhì)被帶入到槽中的量逐漸增多，所以浮升力逐漸增大；但當(dāng)槽數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，浮升力趨于平穩(wěn)，因此在保證密封性能的同時(shí)，考慮到加工成本，槽數(shù)選擇16較為合適。

圖16給出了不同液氣比下，泄漏率與槽數(shù)之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯弘S槽數(shù)的增加，泄漏率逐漸減小。進(jìn)一步觀察可以看出，液氣比越大，泄漏率越小，主要是由于油滴自身重力的影響，大部分油滴聚集在槽根部，有利于阻止氣體泄漏。

3 結(jié)論

(1)相同工況參數(shù)下，柱面螺旋槽流體動(dòng)壓密封在氣液兩相下的動(dòng)壓效果明顯優(yōu)于純氣相。

(2)轉(zhuǎn)速、壓差以及液氣比的增大對(duì)于柱面流體動(dòng)壓密封的浮升力提高有益，浮升力隨螺旋角和槽深的增大逐漸減小，隨槽數(shù)的增大先增大后逐漸趨于平穩(wěn)；而泄漏率隨壓差、轉(zhuǎn)速的增大而變大，隨螺旋角增大呈現(xiàn)先增大后趨于平穩(wěn)，隨著槽深的增大逐漸增大，隨槽數(shù)的增大呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

(3)文中研究柱面流體膜密封時(shí)未考慮槽型變化的影響以及柱面流體膜密封的動(dòng)態(tài)特性，今后將考慮兩方面的影響，以提高兩相流模型的計(jì)算精度。