王 衍 ,謝雪非 ,何一鳴 ,黃周鑫 ,徐 慧 ,柴代澤 ,楊懷石

(1.江蘇海洋大學 機械工程學院,江蘇 連云港 222005;2.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院,江蘇 連云港 222005)

現代工業(yè)水平迅速發(fā)展導致的生產裝置大型化與高度集成化，凸顯出生產裝備長周期安全運行的重要性.對裝備長周期安全運行、環(huán)境保護和資源節(jié)約的要求，使得流體密封技術一直是國內外學者和工程技術人員關注的焦點和研究熱點[1-2].

根據工作原理的不同，流體密封可分為流體靜密封和動密封兩大類.前者是指2個相對靜止零件接合面間的密封，后者是指2個相對運動零件接合面間的密封.流體動密封是工業(yè)裝備中主要使用的密封形式，按工作時密封端面間是否存在承載流體，流體動密封主要分為接觸式(機械密封、填料密封和唇形密封等)，非接觸式(間隙密封、迷宮密封、氣膜密封、離心密封和螺旋密封等)及其他形式(刷式密封、磁流體密封和指尖密封等)[3-4].其中，非接觸式流體密封不存在固相直接接觸，磨損小、壽命長，主要依賴節(jié)流效應或動壓效應實現密封，已作為先進密封技術用于壓縮機、汽輪機和航空發(fā)動機等高端裝備[5].但是此類密封是靠動力元件產生動壓效應工作的，對主軸轉速有較大依賴，當速度較低或停車時，密封能力消失，往往需要輔以停車密封，進而使得整個密封結構變得復雜.密封裝置的工作性質及裝配位置，決定了失效后的維修工作非常繁瑣.據統計，在日常的機器設備使用和維修中，密封部分幾乎占到設備維修總量的40%～50%[6]，離心泵的維修費大約有70%用于處理密封故障，嚴重的密封失效甚至會引起易燃、易爆及有害介質大量泄漏而釀成事故[7].因此，在滿足密封要求的同時，如何提高密封的使用壽命及結構穩(wěn)定性，降低維修周期及簡化密封系統，對于密封技術的實際應用具有重要意義.

面對傳統接觸式流體密封功耗大、高工況場合適應性差以及非接觸式流體密封輔助系統復雜、維護成本高等問題，啟發(fā)于特斯拉閥的被動式流體控制原理及單向導通特性，本文中提出將這種結構從平面流動擴展至三維管狀通道流動，將單向導通升級用于單向(高壓側至低壓側)泄漏抑制.旨在通過對密封通道的宏觀重構，揭示被動式流體阻塞機制，突破傳統流體密封無法兼顧非接觸和簡約性結構的矛盾束縛，為進一步簡化密封結構，實現零磨損、低泄漏的新型密封開辟新方向.

1 技術背景

1.1 典型密封結構

機械密封作為接觸式流體密封的典型代表，也是工業(yè)用動密封的主要型式，廣泛應用于電力、船舶和石油化工等領域，其典型結構如圖1所示.可以看出，機械密封主要依靠動靜環(huán)緊密貼合來阻塞介質的泄漏，輔助動靜環(huán)的還有彈簧、彈簧座、緊定螺釘、密封圈和防轉銷等零件.

Fig.1 Schematic diagram of mechanical seal structure圖1 機械密封結構示意圖

非接觸式機械密封的典型結構與圖1中相似，不同之處主要在于密封環(huán)端面是否開有動壓槽.在動環(huán)或靜環(huán)上開槽都可以，一般選擇開在兩環(huán)中較耐磨的環(huán)上，且多沿環(huán)的外徑側開槽，沿內徑側開槽多用于泵送類密封.除了包含以上基本構件外，非接觸式機械密封還包括停車密封、供氣/液系統以及氣液過濾/回收系統等輔助系統，結構更加復雜.

1.2 特斯拉閥結構及工作原理

特斯拉閥是由科學家尼古拉·特斯拉提出且以自己名字命名的1種單向導通閥，于1920年申請了發(fā)明專利[8].該閥體結構無任何活動部件，僅利用空間結構推動流體流動，無需輸入能量即可實現流體的單向導通[9-10].如圖2所示，流體正向流動與反向流動差別巨大，正向流動時，流體能夠繞過所有翼狀障礙暢通無阻地從右邊流至左邊，并且因流動壓力可獲得加速效果；但當流體反向流動時，每經過1個通道，就要向上/下進入1個翼狀障礙，在彎管與水平管道交匯處形成劇烈的沖擊阻塞效應，使得內部能量、流速和壓力等被消耗.翼狀障礙越多，流體向前推進的阻力越大，造就了特斯拉閥獨特的單向導通效果.特斯拉本人給出1個概念：假設流體經過第1個翼狀障礙后的泄漏用分數1/X表示，在經過第n個翼狀障礙后，泄漏僅為(1/X)n，很明顯，X不需要很大的數字，即可確保1個近乎完美的閥門節(jié)流行為.

Fig.2 Schematic diagram of the Tesla valve圖2 特斯拉閥原理圖

雖然特斯拉閥提出時間較早，在微尺度上有許多優(yōu)點，但是，關于其研究的文獻較少，這一巧妙結構真正得到重視和應用僅在最近幾年.2003年，Truong等[11]提出了1種綜合優(yōu)化方法，首次實現了特斯拉閥結構參數的完整設計和系統優(yōu)化.2005年，Gamboa等[12]進一步采用6個獨立設計變量對特斯拉閥進行了幾何優(yōu)化，使得流阻力比提高25%，得到了單向導通效率最高的GMF型特斯拉閥.2011年，Thompson等[13]嘗試將特斯拉閥結構用于平板振蕩熱管(FP -OHP)的止回閥設計，該設計可以有效促進所需循環(huán)流量，較傳統止回閥始終具有更低的熱阻(降阻約15%～25%).接著，Thompson等[14]又對多級特斯拉止回閥進行了三維數值研究，結果表明，多級結構具有更高的單向導通效率，且隨雷諾數的增大，效率提升更加顯著.2014年，Wang等[15]將特斯拉閥結構用于微型混合器并進行了數值模擬，結果表明，特斯拉閥混合器在低雷諾數下具有更低的壓降和更高的混合性能，更加適用于現代生物醫(yī)學芯片和化學反應器中.2017年，Vries等[16]在特斯拉閥結構的基礎，成功設計了1種新型脈動熱管(PHP)閥，顯著促進了管內流體循環(huán)并使熱阻效率有效降低14%.2018年，Porwal等[17]采用計算流體力學(CFD,Computational fluid dynamics)方法數值分析了進口雷諾數對單級和多級特斯拉閥整流和熱增強能力的影響，結果表明，采用特斯拉閥門作為小型或微型熱交換器、熱敏二極管或止回閥時，可以有效提升熱/流量控制效率.2018年開始，浙江大學錢錦遠等[18-20]對特斯拉閥進行了系統研究，結果表明特斯拉閥在離子流動尺度仍然適用，并將該結構成功用于氫燃料電池的氫減壓過程，提出的多級反流狀態(tài)特斯拉閥門具有良好的減壓效果.2020年，Abdelwahed等[21]采用拓撲梯度數值優(yōu)化算法對二維特斯拉微閥進行了重構，該算法可以有效提高特斯拉閥流域攝動函數的靈敏度.同年，Wahidi等[22]將改進的特斯拉閥用于超臨界CO2自然循環(huán)回路中，結果表明，改進的特斯拉閥可以更好地穩(wěn)定超臨界壓力和熱輸入，而且在不降低傳熱性能的情況下，還可以緩解溫度和速度振蕩.

以上研究表明，特斯拉閥這一巧妙結構已日益引起各領域學者的關注和濃厚興趣，在諸多設備上的應用也都具有顯著效果.根據這一結構反向流動時的逐級節(jié)流特性，理論上可建立起阻塞密封功能.

1.3 新型密封結構及工作原理

特斯拉閥的被動式流體控制原理及其內部流體產生的沖擊阻塞形式，導致這一閥型的單向導通特性，依據這一特點，嘗試將這種結構從平面流動擴展至三維管狀通道形式的新型密封結構，如圖3所示，該結構部件組成十分簡潔，除了轉動軸及其連接部分外，不含有其他額外活動部件，主要包括1-外環(huán)、2-懸柱、3-鍵、4-內環(huán)和5-軸.內環(huán)通過鍵等直接置于軸套或軸上并隨之旋轉，外環(huán)可以直接依托密封端蓋或殼體固聯不動，懸柱可通過內置螺釘和雙頭螺柱等形式分別固定于內環(huán)或外環(huán)上.

Fig.3 Three-dimensional tubular new sealing structure diagram圖3 三維管狀新型密封結構圖

類似于平面特斯拉閥的翼狀通道，規(guī)定1個懸柱與對應的內外環(huán)部分組成的空間為1個密封級，出、入口端分別為大氣側及密封介質高壓側，之間三維特斯拉閥狀通道為反向布置，高壓介質通過入口進入后會被逐級阻流、降壓，理論上當級數足夠多，壓降至與大氣壓一致時，即可實現密封結構的單向泄漏抑制.

2 計算模型

2.1 物理模型

圖3所示的結構存在明顯弊端，其內外環(huán)及懸柱等三大件集成和安裝存在干涉問題，鑒于此，提出改進結構，如圖4(a)所示，該結構密封級間為階梯狀連接，由裝配關系決定懸柱置于內環(huán)或外環(huán)上(外環(huán)部位懸柱需為剖分式)，可以實現軸向裝配.軸向截面尺寸如圖4(b)所示，每個密封級尺寸相同，左側為入口，右側為出口.密封級結構主要由回轉半徑R、標準流距L及分流角α等參數決定，回轉半徑可以決定內置懸柱的尺寸，標準流距主要影響密封級數的整體布置緊湊度，通過調整分流角可以實現密封級徑向和軸向布置效率的改變，密封級R、L和α三者存在互相制約的關系.h為密封間距，根據內外環(huán)及懸柱尺寸及固定位置可形成既定間隙.

Fig.4 Step-type new sealing physical model圖4 階梯型新型密封物理模型

此外，實際裝配過程中還應考慮部件間的定位和精度保證，以確保新型密封對結構精度的要求.后續(xù)實際使用時為避免介質結焦、結垢和結晶等對流道的填塞，還應確保介質的潔凈和流道的暢通等問題.

2.2 基本參數

新型密封基本參數列于表1中，對部分參數的區(qū)間范圍作了限定，需要在相對不變量的前提下進行系統研究.右側設定的相對不變量，為研究某一具體參數變化規(guī)律時其他參數的具體取值.

表1 新型密封幾何參數Table 1 Geometric parameters of the new sealing

2.3 流動損失

2.3.1 壓頭損失

密封的泄漏由壓差造成，壓差(ΔP)與系統的壓頭損失密切相關.根據流體力學基本原理[23]，新型密封的壓頭損失主要包括沿程損失hf和局部損失hj：

其中，ρ為介質密度；g為重力加速度.

根據特斯拉閥單項導通特性，新型密封的局部損失要遠大于沿程損失，沿程損失主要指各級間沿標準流距L處的損失，根據沿程損失計算方法[24]，可表示如下：

其中，λ為沿程阻力系數，由雷諾數確定；De為當量直徑，對于同心縫隙取De=2h；v為平均流速，分別對應路徑取值.

圖5所示為單節(jié)密封截面示意圖，由圖5可以看出，局部損失由彎管和三通損失構成.流動路徑包括L1和L2這2條支路，局部損失需分路徑具體分析，流經L1的流體，局部損失由1處彎管結構C1和2處三通結構T1及T2產生；流經L2的流體，局部損失由2處三通結構T1和T2產生，如式(3)所示.

Fig.5 Flow diagram圖5 流動示意圖

其中，ζ為各路徑局部阻力系數，下標L1、L2、C1、T1和T2分別代表對應值.可以看出，單節(jié)密封級的局部阻力系數Kj為路徑L1和L2上的并聯和，單節(jié)阻力系數為局部阻力系數Kj和沿程阻力系數λ的串聯和.由于沿程阻力系數λ是隨雷諾數的變量，對整個密封的綜合阻力系數K計算表達式如下：

各路徑局部阻力系數可參考流體力學中各類三通結構進行取值，并列于表2中.鑒于新型密封的級數Z多是成對增加的，表2計算并列出了各偶數密封級數對應的局部阻力系數.

表2 不同路徑及密封級對應局部阻力系數[25]Table 2 Different paths and sealing stages correspond to local resistance coefficients

2.3.2 泄漏損失

新型密封流場類似于間隙密封，實際為同心環(huán)形縫隙流動的1種，可視作平板流動的延伸[26].如圖6所示，由于新型密封包含旋轉流場，以vx表示沿x向切向速度，vy表示軸向速度，Bi、l和h分別對應新型密封周向、軸向和徑向尺寸.通過簡化Navier-Stokes方程并在z向2次積分，可得速度矢量.運用速度分解定律，即可得出軸向速度微分形式，積分后所得表達式如下：

Fig.6 Schematic diagram of plate flow圖6 平板流動示意圖

其中，μ為流體動力黏度；h為密封間距.

以任意節(jié)(假設Z=i)特斯拉閥為研究對象，取微元面積Bidz，如圖6所示.沿z=0至h積分，可得到單節(jié)泄漏率，求和所有密封級，即可建立整體泄漏率(Qo)表達式如下：

其中，Qi為第i級出口泄漏率；Bi為第i級的水平出口外壁截面周長；vxi為第i級沿x向切向速度；ΔPi為第i級壓頭損失.

Groddeck[27]通過Yamada[28]的試驗結果表明，層流時壁面旋轉幾乎不會影響流體介質的通流過程，甚至不影響可壓縮介質的通流過程.當流體為湍流時，Groddeck進一步給出了考慮旋轉剪切的泄漏計算公式：

其中，vx和vy取做流動管道的平均值.令Q=0，可分別解出：

(1) 無泄漏間距越大，說明在較大間距下即可實現理想密封效果，越容易實現密封，密封能力相對越強，反之亦然；

(2) 無泄漏壓差越大，表明可在較高壓力下實現理想密封效果，密封能力相對越強，反之亦然.

2.4 三維管狀泄漏通道模型

建立如圖7所示三維階梯型新型密封流道模型，依據裝配關系，左邊為介質高壓入口側，右邊為大氣低壓側.為準確獲得新型密封的各項性能指標，選擇全尺寸建模，降低局部建模對仿真計算結果的影響.

Fig.7 Step-type new sealing flow channel model圖7 階梯型新型密封流道模型

3 仿真模擬

3.1 基本假設

鑒于特斯拉閥結構適宜低黏度流體[29]，密封介質選擇空氣，研究新型密封工作機制還需要對不同工況和不同幾何參數下的密封性能作系統研究.為便于解決問題，對新型密封流道模型作如下假設：

(1) 三維管狀通道間的流體為連續(xù)介質流動[30]；

(2) 流場中的氣體為常溫和常黏度介質[31]；

(3) 流場內潤滑層管道壁面緊密吸附，無滑移產生；

(4) 忽略密封通道變形對流體流動的影響；

(5) 不計氣體慣性力的影響；

(6) 運行過程中管道間隙不變，管道表面理論光滑.

3.2 控制方程及求解

本文中采用ANSYS開發(fā)的Fluent軟件對三維管狀新型密封進行數值模擬，該結構為三維管流算例.定常不可壓縮流體的控制方程可表示為如下通用形式：

其中，ρ為流體密度，φ為求解變量，u，v和w分別為軸向、徑向和切向流體流動速度，Γφ為擴散系數，Sφ為源項.

邊界條件采用強制性壓力邊界條件，入口處：p=Pin(介質壓力)；出口處：p=Po(大氣壓).新型密封流體行為是典型的內部及強曲率分離流動，屬于湍流流場.本文中選用Fluent軟件中的湍流模型(動能-耗散率，k-ω)進行求解，其優(yōu)勢在于計算該類流場時不會忽略近壁處緩沖區(qū)的流動，可以較精確地計算逆壓梯度和強曲率流場[32].采用SIMPLE算法進行亞松弛迭代計算，通過中心差分對擴散項離散，對流項計算采用二階迎風格式，連續(xù)方程和動量方程的迭代精度設為10-5，能量方程的迭代精度設為10-6.

3.3 網格劃分

采用UG軟件對新型密封進行全尺寸建模，然后導入Fluent meshing進行網格劃分，可以通過對Surface Mesh Controls系列參數(Min size，Max size，Growth及Cells per gap等)的整體控制和調整，實現模型的網格劃分及局部加密，網格效果如圖8(a)所示.以泄漏率為指標進行網格無關性驗證，如圖8(b)所示，當網格數達到700萬以后計算結果基本趨于穩(wěn)定，以此為基準進行網格劃分可以兼顧計算效率和精度的要求.

Fig.8 Mesh generation圖8 網格劃分

4 計算結果與分析

4.1 流場特性

圖9(a)和圖9(b)所示分別為不同級數位置對應的壓力云圖和速度云圖，并對流體流動的交匯區(qū)進行了局部放大.可以看出，在交匯區(qū)都可以觀察到明顯的壓力和速度波動，局部流動由于流體間的沖撞和分叉流等變得不穩(wěn)定.氣體由高壓端入口進入后，壓力和流速都呈逐級降低的趨勢，表明氣體進入后通過逐級節(jié)流，壓差可能造成的速度升高也逐漸被節(jié)流效果抵消和抑制.此外，在匯集夾角處還產生了二次流現象，這些都造成了能量的損失，進而使壓力和速度降低，有利于密封功能的實現.

Fig.9 Flow field characteristics(h=0.3 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=8,T=300 K)圖9 流場特性(h=0.3 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=8,T=300 K)

4.2 流體性質對密封性能的影響

4.2.1 介質密度

圖10所示為介質密度對密封性能的影響規(guī)律，可以看出，介質密度對無泄漏間距和無泄漏壓力基本沒有影響，泄漏率隨介質密度的增大呈緩慢降低趨勢，表明新型密封較適于高密度介質.綜合而言，新型密封對介質密度屬性敏感度較低，對較高密度介質的適應性稍好.

Fig.10 Effects of medium density on sealing performance圖10 介質密度對密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.2.2 介質黏度

如圖11所示，與介質密度的影響特點不同，介質黏度對密封性能有顯著影響.泄漏率隨介質黏度的增大呈顯著降低趨勢，而無泄漏間距和無泄漏壓力則隨介質黏度的增大而增大.泄漏率隨介質黏度的變化可直接說明新型密封適于高黏度介質流動，再參考無泄漏間距和無泄漏壓力可知：較高的介質黏度一方面可以降低新型密封的泄漏率，同時也能在一定程度上提高無泄漏間距和無泄漏壓力，進而提高密封綜合性能.綜上可見，新型密封對高黏度介質下的流體流動密封效果最好，也最容易實現.

Fig.11 Effects of medium viscosity on sealing performance圖11 介質黏度對密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.3 工況參數對密封性能的影響

4.3.1 介質壓力

如圖12所示，介質壓力對密封性能參數影響較大，隨著介質壓力的升高，泄漏率和無泄漏間距分別呈顯著增大和降低趨勢，無泄漏壓力根據模型的定義與壓力變化無關.無泄漏間距隨介質壓力的升高呈降低趨勢，這一現象說明：其他工況條件不變的情況下，壓力越高，新型密封泄漏率越大，理論上需要更小的密封間隙才能實現新型密封的抑漏功能，側面也說明了通過減小密封間隙可以降低泄漏.

Fig.12 Effects of medium pressure on sealing performance圖12 介質壓力對密封性能的影響(h=0.1 mm,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.3.2 轉速

如圖13所示，轉速由5 000 r/min增至50 000 r/min，密封泄漏率基本沒有變化，無泄漏間距和無泄漏壓力則隨轉速的增大基本呈線性上升趨勢，以上規(guī)律說明轉速的增大有利于新型密封在較大間距和壓力下實現零泄漏.由圖13還可以看出，泄漏率具有不隨轉速升高而增大的趨勢，這一特性是新型密封區(qū)別于多數機械密封的主要特點，也是此類新型密封結構不依賴主軸轉速、適于低速甚至停機運行工況的理論基礎.

Fig.13 Effects of rotation speed on sealing performance圖13 轉速對密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,Z=10,T=300 K)

4.4 幾何參數對密封性能的影響

4.4.1 密封間距

如圖14所示，泄漏率隨密封間距的增大幾乎呈線性增大的趨勢，密封間距實際為新型密封三維管道寬度，間距的增大實際就是泄漏通道的增大，是泄漏率迅速升高的主要原因.無泄漏間距根據模型的定義與間距變化無關，而無泄漏壓力隨密封間距的增大呈先迅速降低后緩慢下降趨勢，驗證了上文中對通過減小密封間距降低泄漏率的分析判斷，由圖14可以看出，此工況下對應的臨界密封間距約為h=0.2 mm，說明密封間距高于臨界值時通過減小密封間距來降低泄漏率的效率最高，當密封間距低于臨界值時，采取這一方式的效率不高，且過小的密封間距不利于密封的穩(wěn)定運行.

Fig.14 Effects of seal spacing on sealing performance圖14 密封間距對密封性能的影響(Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.4.2 密封級數

密封級數實際為新型密封的阻流單元個數，如圖15所示，隨著級數的增大，泄漏率持續(xù)降低，而無泄漏間距和無泄漏壓力都隨密封級數的增大而增大.無泄漏間距的增大，說明密封級數較多時，采用較大的密封間隙即可實現較好的密封效果；無泄漏壓力的增大，說明密封級數較多時可以在較高壓力下實現密封功能.可見，密封級數越多，新型密封的高壓適用能力越好，密封也相對容易，但密封級數的增大同時也會造成密封尺寸的增加，對密封空間有較高要求.所以，應在盡量滿足密封要求的前提下采用較少的密封級數，使密封結構更加緊湊.

Fig.15 Effects of seal series on sealing performance圖15 密封級數對密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,T=300 K)

4.4.3 分流角

分流角可以決定新型密封三維管道的內部形狀，根據相關文獻[12,33]，平面特斯拉閥的最佳分流角約為45°～48°.如圖16所示，無泄漏間距隨分流角的增大而降低，說明隨著分流角的增大，需要更小的間距才能實現理論零泄漏；無泄漏壓力隨分流角的增大而降低，說明隨著分流角的增大，只能在相對更低壓力下才能實現理論零泄漏.而泄漏率則隨分流角的變化有一定的起伏變化，約在48°左右維持較低泄漏水平.綜合考慮泄漏率、無泄漏間距及速度因素，對新型密封分流角的選擇與平面特斯拉閥一致，亦在45°～48°間選擇為宜.

Fig.16 Effects of shunt angle on sealing performance圖16 分流角對密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.5 新型密封標準泄漏設計與計算

實現新型密封的實際應用，應使新型密封在一定壓差和轉速條件下滿足泄漏標準要求，為此，以干氣密封技術條件[34]中壓縮機用干氣密封的動態(tài)泄漏率指標為標準，對新型密封進行設計和計算，并列于表3中.

表3 壓縮機干氣密封件的動態(tài)泄漏率，Qmin/(m3/h)Table 3 Dynamic leakage rate of dry gas seal for compressor,Qmin/(m3/h)

上述階梯型密封存在出口泄漏面積隨級數增大而增大的問題，為解決這一矛盾，同時考慮裝拆問題，首先將階梯式通道作對稱設計，如圖17所示，對稱結構可實現出入口界面橫截面積一致.進一步將密封外環(huán)設計成可通過螺栓連接的兩部分，中間采用密封圈密封，內外環(huán)3個部分的裝配可依次完成.

Fig.17 Symmetrical sealing structure圖17 對稱密封結構

具體幾何參數參考表1，N=10000 r/min，D=60 mm，P=0.2 MPa，根據表3中的級數條件，對應的泄漏標準Qmin=0.35 m3/h.由前文中的研究結果可知，通過調節(jié)密封間距和密封級數可有效控制泄漏，圖18所示為1個大氣壓力差下，不同級數時的對稱式密封結構泄漏率對應不同密封間距的計算結果.可以看出，級數越多，實現標準泄漏時對應的密封間距越大，通過數據擬合，密封級數Z為4、8和12時對應的標準泄漏臨界密封間距h分別為0.024、0.026和 0.030 mm(差值計算結果)，遠高于干氣密封氣膜條件(0.002～0.005 mm)，這一優(yōu)勢可大幅降低密封副接觸概率，對提升密封穩(wěn)定性意義重大.

Fig.18 Parameter conditions under standard leakage requirements圖18 標準泄漏要求下的參數條件

5 結論

a.基于被動式流體阻塞原理及特斯拉閥結構，對微觀密封通道進行三維宏觀重構，建立了新型密封結構模型.新型密封通過近毫米級三維管狀流場即可實現一定工況下的非接觸式密封，且內外環(huán)實際為剛性固定，可大幅提升密封副抵御軸向/徑向振動的能力.

b.新型密封適用于高密度和高黏度介質工況，隨著密度和黏度增加，泄漏率略有下降；新型密封受主軸轉速和分流角影響較小，介質壓力P、密封間距h及密封級數Z等對密封性能影響較大，可通過降低密封間距、增加級數實現既定密封效果.

c.以干氣密封技術條件為泄漏標準與新型密封進行對比，相同工況下，新型密封較干氣密封可以在十幾倍甚至幾十倍密封間距下實現等同泄漏，這一優(yōu)勢對于進一步提升非接觸式密封穩(wěn)定性具有重要意義.