陳匯龍,陳英健,付燕霞,衛(wèi)澤鵬,程謙,史迪超,劉瑞睿

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

通過(guò)密封端面微造型產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)是動(dòng)壓型機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑的關(guān)鍵,對(duì)于螺旋槽造型的密封,理論上還可實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏[1-3].可見(jiàn),端面螺旋槽結(jié)構(gòu)對(duì)于密封性能具有舉足輕重的作用,尤其面對(duì)高溫密封介質(zhì),螺旋槽結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑膜流動(dòng)特性、汽化特性和穩(wěn)定性密切相關(guān)[4-5].為此,研究螺旋槽異型結(jié)構(gòu)對(duì)高溫動(dòng)壓型機(jī)械密封液膜汽化及密封性能的影響規(guī)律,對(duì)提高密封適應(yīng)能力具有重要意義.

對(duì)于液體潤(rùn)滑機(jī)械密封的液膜相變問(wèn)題,不少專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究.ORCUTT[6]是最早研究液膜汽化問(wèn)題的學(xué)者之一,他使用了一種由旋轉(zhuǎn)的透明圓盤(pán)和碳密封環(huán)組成的密封,將界面和溫度測(cè)量可視化,發(fā)現(xiàn)在某些情況下,扭矩和泄漏波動(dòng)伴隨著液體邊界徑向位置的振蕩,另一方面,汽化有利于限制溫度和降低摩擦扭矩.BEATTY等[7],YASUNA等[8]通過(guò)構(gòu)建間斷沸騰模型、似等溫低泄漏層流模型、湍流絕熱兩相流模型、可變溫度連續(xù)沸騰模型等理論計(jì)算模型,分析密封運(yùn)行時(shí)液膜穩(wěn)定性和密封性能.RUAN等[9]考慮了表面粗糙度和熱力耦合,建立了二維穩(wěn)態(tài)間斷沸騰模型,認(rèn)為粗糙度的取向?qū)γ芊庑孤┯杏绊?相較于氣體密封,液體密封和兩相密封的熱效應(yīng)更明顯.ESTION等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)密封失穩(wěn)可能是由相變引起的角相剛度變化導(dǎo)致的,隨后又發(fā)現(xiàn)在適度放寬假設(shè)條件的情況下,沸騰界面總是軸對(duì)稱(chēng)的.上述研究在探索密封液膜汽化機(jī)理方面取得了顯著進(jìn)展,但主要是針對(duì)端面無(wú)槽型結(jié)構(gòu)密封的研究.

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)端面帶有螺旋槽微造型的密封液膜汽化問(wèn)題也開(kāi)展了相關(guān)研究.陳匯龍等[11]通過(guò)運(yùn)用黏溫關(guān)系建立動(dòng)壓型密封液膜汽化模型,研究了螺旋槽密封液膜汽化特性及其對(duì)密封性能的影響規(guī)律.馬潤(rùn)梅等[12]以泄漏量和開(kāi)啟力為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)考慮液膜相變的螺旋槽進(jìn)行了優(yōu)化分析.對(duì)于其他槽、腔微造型密封液膜汽化問(wèn)題的研究,YANG等[13]提出了一個(gè)同時(shí)考慮空化和汽化的相變流動(dòng)模型,對(duì)扇形槽密封進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn),驗(yàn)證了模型的優(yōu)越性;ROUILLON等[14]設(shè)計(jì)了一種特殊造型的螺旋槽,通過(guò)試驗(yàn)研究確定了單相流與兩相流的轉(zhuǎn)換問(wèn)題;曹恒超等[15]研究了雙列螺旋槽密封不同槽型參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)液膜相變和密封性能的影響.

綜上,目前對(duì)端面螺旋淺槽機(jī)械密封的液膜汽化及密封性能已開(kāi)展了諸多研究,但研究主要關(guān)注常規(guī)螺旋槽結(jié)構(gòu),缺乏槽型異型結(jié)構(gòu)影響規(guī)律和機(jī)理的對(duì)比研究.文中以高溫液體動(dòng)壓型機(jī)械密封為研究對(duì)象,建立基于飽和蒸汽壓力與溫度關(guān)系、黏溫關(guān)系的密封液膜汽化模型,通過(guò)Fluent數(shù)值計(jì)算,研究不同螺旋槽異形結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)液膜汽化及密封性能的影響機(jī)理.

1 物理模型

文中在對(duì)多種泵送槽結(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行初步分析的基礎(chǔ)上,選擇了螺旋槽及其異型槽等3種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究.異型槽包括:以螺旋槽為基礎(chǔ),在槽徑向中線開(kāi)始至外槽根逆ω方向作1/4槽寬的周向延伸槽,得到雁型槽;在螺旋槽徑向中線位置逆ω方向錯(cuò)開(kāi)1/4槽寬形成周向延伸槽,得到Z型槽,3種槽型如圖1所示.泵送槽開(kāi)設(shè)于動(dòng)環(huán)面,坐標(biāo)假設(shè):動(dòng)環(huán)面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),密封環(huán)軸線為Z軸且以靜環(huán)指向動(dòng)環(huán)為正向.螺旋槽的幾何參數(shù):端面內(nèi)半徑ri=30.0 mm,端面外半徑ro=37.0 mm,螺旋角θ=20°,槽深hc=10 μm,槽根圓半徑rg=33.5 mm,膜厚h=3 μm,槽徑比η=0.5,槽寬比γ=0.5,槽數(shù)Ng=12.

槽型線為對(duì)數(shù)螺旋線,其表達(dá)式為

r=rieφtan θ,

(1)

式中:ri為潤(rùn)滑液膜內(nèi)徑,mm;φ為螺旋線展開(kāi)角,(°);θ為螺旋角,(°).

2 計(jì)算模型

2.1 基本假設(shè)

考慮密封潤(rùn)滑膜特點(diǎn)及汽化模擬計(jì)算的復(fù)雜性,作如下假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算:

1) 暫不考慮端面變形、密封環(huán)徑向跳動(dòng)和軸向擾動(dòng)的影響;

2) 密封環(huán)端面為光滑表面且不考慮波度和傾斜的影響;

3) 不考慮兩相間及潤(rùn)滑膜與端面間的滑移;

4) 忽略潤(rùn)滑膜重力影響.

根據(jù)文中研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得知潤(rùn)滑膜流動(dòng)因子α小于900/1600,故微間隙內(nèi)部流體流態(tài)為層流.

2.2 潤(rùn)滑膜氣液兩相流動(dòng)模型分析

文中使用VOF多相流模型求解,其第i相和第j相的連續(xù)性方程為

(2)

(3)

氣液兩相間輸運(yùn)方程為

(4)

式中:φv為氣相體積分?jǐn)?shù);vv為氣相速度,m/s;Re和Rc分別為相變階段的蒸發(fā)與冷凝項(xiàng).

當(dāng)液相介質(zhì)溫度Tl>Tsat時(shí),

(5)

當(dāng)氣相介質(zhì)溫度Tv

(6)

式中:下標(biāo)l為液相,v為氣相;Ccoeff為蒸發(fā)冷凝系數(shù);Tsat為當(dāng)?shù)仫柡推瘻囟?K.

蒸發(fā)冷凝系數(shù)計(jì)算式為

(7)

式中:db為氣泡直徑,m;β為適應(yīng)系數(shù),接近平衡條件時(shí)可以近似為1;M為摩爾質(zhì)量,kg/mol;L為潛熱,J/kg;R為通用氣體常數(shù).

與液相黏度相比,氣相黏度隨溫度變化很小,故采用373～433 K內(nèi)對(duì)應(yīng)的水蒸氣黏度表征氣相黏度.根據(jù)不同溫度下水的飽和蒸汽壓力實(shí)測(cè)值,通過(guò)Matlab擬合出水的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系.液相黏度由水的黏溫關(guān)系確定,由于Reynolds黏溫方程描述的黏溫關(guān)系誤差較大,故同樣通過(guò)Matlab擬合的方法得到水的黏溫方程.上述擬合曲線通過(guò)Fluent的UDF函數(shù)編譯計(jì)算.

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證及求解設(shè)置

應(yīng)用ICEM CFD軟件對(duì)潤(rùn)滑膜進(jìn)行全周期網(wǎng)格劃分,3種槽型對(duì)應(yīng)計(jì)算模型取相同邊界條件,此處以螺旋槽密封潤(rùn)滑膜為例,如圖2所示(厚度方向放大300倍表示,以便觀察).

圖2 潤(rùn)滑膜邊界條件示意圖

潤(rùn)滑膜與動(dòng)環(huán)以及螺旋槽的各接觸面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面,液膜與靜環(huán)接觸面設(shè)置為靜止邊界;內(nèi)徑側(cè)設(shè)為壓力出口,壓力值為大氣壓(p0=0.1 MPa),溫度為300 K(環(huán)境溫度);外徑側(cè)設(shè)為壓力進(jìn)口,壓力值為密封介質(zhì)壓力.動(dòng)、靜環(huán)材料均為碳化硅.

潤(rùn)滑膜軸向尺度為微米級(jí),故假設(shè)潤(rùn)滑膜與動(dòng)、靜環(huán)端面之間有著同樣的對(duì)流換熱系數(shù),均由如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到

(8)

式中:αfr,αfs分別為動(dòng)、靜環(huán)端面的對(duì)流換熱系數(shù);λf為液相介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Pr為普朗特?cái)?shù);uf為密封端面流體周向平均速度,uf=ω(ro+ri)/4,m/s;ν為運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;Lc為密封間隙流體特征長(zhǎng)度,Lc=π(ro+ri),m.

為了消除網(wǎng)格數(shù)N對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量方案進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)圖3,圖中F為開(kāi)啟力,φv為氣相體積分?jǐn)?shù).由圖3可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)70萬(wàn)時(shí),網(wǎng)格劃分方案對(duì)潤(rùn)滑膜開(kāi)啟力、氣相體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略.故在綜合考慮網(wǎng)格無(wú)關(guān)性與計(jì)算成本的條件下采用網(wǎng)格數(shù)為70萬(wàn)的方案進(jìn)行計(jì)算.

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證文中模型的準(zhǔn)確性,采用文中計(jì)算模型針對(duì)文獻(xiàn)[15]的密封幾何參數(shù)和高溫?zé)崴橘|(zhì)條件進(jìn)行膜壓p膜計(jì)算,并將文中模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[15]采用改進(jìn)間斷沸騰模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示,圖中r為半徑.由圖4可見(jiàn),2個(gè)計(jì)算結(jié)果的膜壓變化趨勢(shì)相同且偏差較小,說(shuō)明文中計(jì)算模型具有較高的可靠性.計(jì)算結(jié)果存在偏差的原因可能是文獻(xiàn)[15]考慮了密封環(huán)表面粗糙度,而文中未考慮粗糙度的影響,但文獻(xiàn)[15]的研究表明密封環(huán)表面粗糙度的影響較小,因此計(jì)算結(jié)果的偏差是比較小的.

圖4 文中模型與文獻(xiàn)[15]計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 3種槽型的液膜汽化特性及密封性能對(duì)比

工況確定:介質(zhì)溫度423 K,介質(zhì)壓力1 MPa,考慮轉(zhuǎn)速是密封端面槽型功能最敏感的參數(shù),故在1 000至6 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間分析3種槽型密封潤(rùn)滑膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)及密封性能隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5,圖中QL為泄漏量.轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)3種槽型密封潤(rùn)滑膜的氣相體積分?jǐn)?shù)、壓力分布如圖6所示.

圖5 不同槽型密封汽化特性與密封性能隨轉(zhuǎn)速的變化

圖6 轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)不同槽型氣相體積分?jǐn)?shù)與壓力分布云圖

由圖5a可知,總體上隨著轉(zhuǎn)速的提高開(kāi)啟力增大;對(duì)比3種槽型密封可見(jiàn),轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)Z型槽密封的開(kāi)啟力均明顯高于雁型槽和螺旋槽密封;雁型槽密封的開(kāi)啟力略?xún)?yōu)于螺旋槽密封.由圖5b可見(jiàn),總體上密封潤(rùn)滑膜汽化程度隨轉(zhuǎn)速的增大而降低,相比于其他2種槽型,Z型槽密封的汽化程度最低,雁型槽與螺旋槽密封的汽化程度相差不大,但隨著轉(zhuǎn)速的提高,3種槽型的汽化表現(xiàn)趨于接近.通過(guò)圖5c比較可見(jiàn),總體上密封泄漏量隨轉(zhuǎn)速增大而減小,與另2種槽型相比,Z型槽的泄漏量是最小的,雁型槽密封略?xún)?yōu)于螺旋槽密封.

由圖6可見(jiàn),總體上由于槽堰區(qū)汽化程度較高,泵送槽外槽根高壓區(qū)不明顯,但雁型槽的外槽根周向延伸槽產(chǎn)生的影響有3個(gè):一是儲(chǔ)壓作用,延伸部位較高壓力的區(qū)域略大于螺旋槽外槽根,壩區(qū)高壓區(qū)也有所增大,導(dǎo)致其開(kāi)啟力高于螺旋槽密封;二是汽化分布,壓力提升使雁型槽槽區(qū)高汽化區(qū)有所收縮,而延伸部位卻減弱了壩區(qū)膜壓對(duì)堰區(qū)的影響使堰區(qū)汽化略有加劇,綜合效果導(dǎo)致雁型槽與螺旋槽密封潤(rùn)滑膜的平均氣相體積分?jǐn)?shù)很接近;三是減小泄漏,外槽根延伸一定程度上減小了壓差流通道,使泄漏量減小.Z型槽偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響有:一是外槽根偏轉(zhuǎn)部位同樣具有儲(chǔ)壓作用,使?jié)櫥じ邏簠^(qū)增大,開(kāi)啟力增大;二是降低汽化程度,內(nèi)槽根偏轉(zhuǎn)部位具有抑制汽化作用,非汽化區(qū)明顯增大,槽中部面積減小以及外槽區(qū)壓力的提升使得槽區(qū)高汽化面積進(jìn)一步縮小,堰區(qū)汽化雖略有提升,但總體汽化程度明顯降低;三是減小泄漏,槽區(qū)偏轉(zhuǎn)減小了壓差流通道,泄漏量更小.

綜上可見(jiàn),采用Z型槽能夠獲得更優(yōu)的潤(rùn)滑膜汽化特性和密封性能,為此,后續(xù)將對(duì)Z型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與密封汽化特性和密封性能的影響關(guān)系進(jìn)行研究.

4.2 對(duì)潤(rùn)滑膜汽化特性及密封性能的影響

在介質(zhì)溫度423 K、介質(zhì)壓力1 MPa和轉(zhuǎn)速5 000 r/min工況下進(jìn)行計(jì)算分析.同時(shí),定義Z型槽周向偏轉(zhuǎn)角ψi與內(nèi)槽根對(duì)應(yīng)圓心角ψ0的比值為周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)z;定義槽中部開(kāi)始偏轉(zhuǎn)位置至內(nèi)徑側(cè)的徑向?qū)挾萪i與整槽徑向?qū)挾萪0的比值為徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)j.兩者的表達(dá)式為

(9)

(10)

以下將分別研究周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)z、徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)j和螺旋角θ等槽型關(guān)鍵參數(shù)對(duì)密封潤(rùn)滑膜汽化特性及密封性能的影響規(guī)律.

4.2.1 徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)j的影響分析

徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)j反映的是槽型偏轉(zhuǎn)的“早晚”問(wèn)題,徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)j為0或1.000時(shí),Z型槽即為普通螺旋槽.在周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.250、螺旋角為20°時(shí)研究徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)j變化對(duì)Z型槽密封汽化特性和密封性能的影響關(guān)系如圖7所示.

圖7 Z型槽的平均氣相體積分?jǐn)?shù)及密封性能隨j變化規(guī)律

由圖7可見(jiàn),隨著j的增大,潤(rùn)滑膜開(kāi)啟力小幅增大,當(dāng)j達(dá)到0.500～0.625時(shí)達(dá)到最大值,j大于0.750后快速下降,j為1.000即為普通螺旋槽時(shí),開(kāi)啟力最小.平均氣相體積分?jǐn)?shù)和泄漏量隨j的變化趨勢(shì)均為先減小后增大,當(dāng)j為0.625左右時(shí),兩者均出現(xiàn)最小值,當(dāng)j從0.625～0.875時(shí),兩者均隨j的增大而增大,當(dāng)j大于0.875時(shí),平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨j的增大而略有下降,泄漏量則隨j的增大而迅速增大.

圖8為不同徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)時(shí)潤(rùn)滑膜的氣相體積分?jǐn)?shù)、壓力分布云圖.由圖可見(jiàn),當(dāng)j較小時(shí),槽型結(jié)構(gòu)類(lèi)似于普通螺旋槽,僅在內(nèi)槽根附近出現(xiàn)周向偏移,對(duì)內(nèi)槽根附近高汽化區(qū)的約束能力很有限,而堰區(qū)受槽型偏移的影響汽化程度有所提升,導(dǎo)致槽堰區(qū)汽化程度甚至超過(guò)了普通螺旋槽;槽型偏轉(zhuǎn)后外槽根仍有一定的儲(chǔ)壓效應(yīng),外槽根壓力比普通螺旋槽略高,壩區(qū)高壓區(qū)也有所擴(kuò)大,使?jié)櫥ら_(kāi)啟力仍高于普通螺旋槽;另外,因z僅為0.250,槽型偏移對(duì)泄漏量的影響不太明顯.當(dāng)j增大至0.625時(shí),一方面背風(fēng)側(cè)型線的偏移增強(qiáng)了對(duì)內(nèi)徑側(cè)附近汽化的抑制,另一方面因槽型中部的適度偏轉(zhuǎn)使通道有所變窄,縮小了高汽化面積,也減弱了外槽根高溫介質(zhì)對(duì)內(nèi)槽根的影響,同時(shí)迎風(fēng)側(cè)型線的偏轉(zhuǎn)使外槽根起到了儲(chǔ)壓作用,降低了外槽根汽化程度,故槽區(qū)整體高汽化面積明顯減小;高汽化區(qū)域減小和部分膜壓的有所提升使開(kāi)啟力有所增大;槽型的適度偏轉(zhuǎn)擴(kuò)大了阻擋泄漏的周向范圍,泄漏量減小.當(dāng)j大于0.625后,槽型逐步接近普通螺旋槽,Z型槽的優(yōu)勢(shì)逐步消失.

圖8 不同j值時(shí)Z型槽密封氣相體積分?jǐn)?shù)和壓力分布云圖

4.2.2 周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)z的影響分析

Z型槽為螺旋槽周向偏轉(zhuǎn)得到,當(dāng)z為0時(shí),Z型槽即為普通螺旋槽,當(dāng)z為1.000時(shí),Z型槽則變?yōu)閮?nèi)外2個(gè)交錯(cuò)的普通螺旋槽.在j為0.500,θ為20°時(shí)研究不同z值對(duì)Z型槽密封性能的影響關(guān)系,如圖9所示.

圖9 Z型槽的平均氣相體積分?jǐn)?shù)及密封性能隨z變化規(guī)律

由圖9可見(jiàn),隨著z的增大,潤(rùn)滑膜開(kāi)啟力也隨之增大,并在z為0.375～0.500時(shí)取得最大值,其值約比普通螺旋槽密封高出9.6%;當(dāng)z大于0.500后,開(kāi)啟力緩慢下降,在z為0.875時(shí),其開(kāi)啟力仍比普通螺旋槽密封高出5.0%.平均氣相體積分?jǐn)?shù)和泄漏量隨z的變化均呈先減小后略有上升變化,平均氣相體積分?jǐn)?shù)在z為0.375時(shí)出現(xiàn)最小值,比普通螺旋槽密封低了8.2%;泄漏量在z為0.500時(shí)出現(xiàn)最小值,比普通螺旋槽密封低了16.0%;當(dāng)z為0.875時(shí)平均氣相體積分?jǐn)?shù)和泄漏量仍然都低于普通螺旋槽密封.

圖10為不同z值槽型潤(rùn)滑膜氣相、壓力分布云圖.由圖10可知,當(dāng)z從0增大至0.500時(shí),Z型槽密封的優(yōu)勢(shì)得到了較充分的體現(xiàn),其原因與j為0.625時(shí)的情況類(lèi)似,只是這里的z值是0.250的2倍,周向偏轉(zhuǎn)的強(qiáng)度更大些,性能優(yōu)勢(shì)也更明顯.當(dāng)z從0.500增大至0.875時(shí),槽中部寬度不斷減小,泵送槽逐步由一個(gè)槽變?yōu)閮?nèi)外2個(gè)交錯(cuò)槽,內(nèi)槽區(qū)因受其外部堰區(qū)高溫介質(zhì)的影響加劇而逐步成為高汽化區(qū),并向由內(nèi)外槽區(qū)所包圍的周向相鄰堰區(qū)擴(kuò)展,使整體平均氣相體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)回升;另外,槽中部寬度的過(guò)度減小使內(nèi)槽泵送效應(yīng)對(duì)外槽影響的減弱,外槽根的壓力積累減弱,導(dǎo)致開(kāi)啟力下降;隨著內(nèi)外兩個(gè)槽的逐步隔離,寬短內(nèi)槽的迎風(fēng)側(cè)剪切形成的較高壓力使槽內(nèi)形成回流,高汽化區(qū)覆蓋整體內(nèi)徑側(cè),這可能是泄漏量增大的原因.可見(jiàn),只有適度的槽型偏轉(zhuǎn)才能有效提升密封性能.

4.2.3 螺旋角θ的影響分析

螺旋角θ是密封性能的重要影響參數(shù).在z為0.250、j為0.500時(shí)研究不同螺旋角對(duì)Z型槽密封性能與汽化特性的影響關(guān)系.

圖11為Z型槽密封性能參數(shù)和平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨θ變化規(guī)律.圖12為不同θ值時(shí)Z型槽密封潤(rùn)滑膜氣相、壓力分布云圖.由圖11可見(jiàn),隨θ的增大,潤(rùn)滑膜開(kāi)啟力呈近線性下降,潤(rùn)滑膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)呈先減小后增大變化,在θ為20°左右時(shí)出現(xiàn)最小值,而泄漏量則呈近線性增大變化.

圖12 不同θ值時(shí)Z型槽密封氣相體積分?jǐn)?shù)和壓力分布云圖

由圖12可知,θ較小時(shí),槽區(qū)呈窄長(zhǎng)形狀,泵送流量小,內(nèi)槽根低溫介質(zhì)抑制汽化效果弱,槽區(qū)汽化面積大,外槽根偏轉(zhuǎn)區(qū)汽化程度較高,同時(shí),槽型的周向覆蓋范圍大,堰區(qū)因?qū)挾刃?、壩區(qū)高壓介質(zhì)影響小而增大汽化面積,使整體汽化程度高、泄漏量小,但因螺旋線長(zhǎng),剪切做功多,外槽根及壩區(qū)高壓區(qū)較大,開(kāi)啟力較大;θ較大時(shí),寬短的槽區(qū)泵送流量大,內(nèi)槽根低溫介質(zhì)抑制汽化效果好,但背風(fēng)側(cè)堰區(qū)高汽化范圍增大,且因槽型線短,剪切做功少,外槽根及壩區(qū)膜壓較低,外槽根偏移區(qū)的汽化程度較高,整體汽化程度高、開(kāi)啟力小,泄漏量則因槽區(qū)周向范圍小、堰區(qū)寬、壩區(qū)高壓對(duì)堰區(qū)影響增強(qiáng)而增大;中等θ時(shí),槽堰區(qū)形狀及流場(chǎng)狀態(tài)介于前述兩者之間,開(kāi)啟力、泄漏量均介于大、小θ時(shí)的中間狀態(tài),但因內(nèi)槽根低溫介質(zhì)抑制汽化效果較強(qiáng)和外槽根偏轉(zhuǎn)區(qū)汽化程度較低,使槽堰區(qū)整體處于低汽化狀態(tài).

5 結(jié) 論

1) 對(duì)比3種螺旋槽異型結(jié)構(gòu)得知,Z型槽密封的開(kāi)啟力明顯高于雁型槽和螺旋槽密封,雁型槽密封的開(kāi)啟力略?xún)?yōu)于螺旋槽密封;Z型槽密封的潤(rùn)滑膜汽化程度最低,泄漏量最小.

2) Z型槽密封潤(rùn)滑膜在徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.500～0.625時(shí)取得最大開(kāi)啟力;潤(rùn)滑膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)和泄漏量均在徑向偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.625左右時(shí)出現(xiàn)最小值.

3) Z型槽密封潤(rùn)滑膜在周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.375～0.500時(shí)取得最大開(kāi)啟力且約比螺旋槽密封高9.6%;在周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.375時(shí)出現(xiàn)最小平均氣相體積分?jǐn)?shù),比螺旋槽密封低8.2%;在周向偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.500時(shí)出現(xiàn)最小泄漏量,比螺旋槽密封低16.0%.

4) Z型槽密封潤(rùn)滑膜開(kāi)啟力隨螺旋角的增大呈近線性下降;在螺旋角為20°左右時(shí)出現(xiàn)最小平均氣相體積分?jǐn)?shù);泄漏量隨螺旋角的增大呈近線性增大.