王 衍, 黃周鑫, 何一鳴, 劉佳利, 王一欽, 劉 威, 金旭成

(江蘇海洋大學 機械工程學院，江蘇 連云港 222005)

各類旋轉(zhuǎn)機械運行過程中，泄漏問題普遍存在，其結(jié)果往往會造成設(shè)備停車、能源浪費、環(huán)境污染甚至危害人身安全，帶來巨大的經(jīng)濟損失.如何防止泄漏一直是各類高端裝備領(lǐng)域的重要課題，相關(guān)密封技術(shù)研究顯得極為重要.最新API-682標準[1]規(guī)定密封系統(tǒng)須至少連續(xù)穩(wěn)定運行3年(25 000 h)以上，基于流體動壓潤滑的非接觸式流體密封技術(shù)具有零泄漏、低功耗及長壽命等特性，發(fā)展異常迅猛，國內(nèi)外已經(jīng)將高性能非接觸式流體密封作為先進密封技術(shù)研發(fā)的重點方向[2-3]，實現(xiàn)此類密封的高效穩(wěn)定運行一直是高端機械領(lǐng)域的熱點課題之一.

目前，非接觸式流體密封主要包括間隙密封、螺旋密封、迷宮密封和端面密封等.間隙密封憑借零磨損、壽命長、運維簡單以及成本低等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于以液壓缸為代表的各類設(shè)備中[4-5]，適用于氣體和液體環(huán)境，但整體泄漏較大.螺旋密封是本世紀才迅猛發(fā)展起來的一種新型非接觸密封技術(shù)，主要應(yīng)用于水泵、壓縮機和發(fā)電機中[6-7]，顧永泉[8]通過分析螺旋密封的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)闡述了其工作原理，并建立了密封封液能力公式。阿達依·謝爾亞孜旦[9]將螺旋密封等同為4桿機構(gòu)，建立了密封公式并對螺旋密封“氣吞”現(xiàn)象及其機理進行了分析。周志安[10]進一步修正了密封公式中的泵送速度和縫隙流量，并對其中的其他參數(shù)進行了優(yōu)化.

20世紀80年代，我國民航使用的MK-152發(fā)動機曾因滑油消耗過大而導(dǎo)致提前更換，改用迷宮密封后油耗量直接下降了40.7%[11].90年代美國國家航空航天局(NASA)實施的AST (Advanced subsonic technology)計劃表明，航空發(fā)動機燃油率每降低10%，其中2%~3%來自對迷宮封嚴技術(shù)的改進[12].我國新型戰(zhàn)斗機的發(fā)動機實際應(yīng)用也表明，通過合理改善迷宮密封的封嚴性能，其工作效率可顯著提升10%[13].基于動靜壓原理的端面密封技術(shù)[14]具有低磨損、長壽命和零泄漏等特性，主要包括干氣密封、液膜密封及上游泵送密封等.上世紀60年代，美國國家航空航天局(NASA)、普惠航空(PWA)及通用電氣(GE)已開始探求將干氣密封用于航空發(fā)動機的高滑速關(guān)鍵部位[15].單套干氣密封受透氣效應(yīng)影響無法實現(xiàn)零泄漏，實際多采用密封組合方式，且密封正常運行氣膜厚度僅為2~5 μm[16]，介觀尺度氣膜和系統(tǒng)的穩(wěn)定性不容樂觀；而且，干氣密封的核心技術(shù)[17]在于3~10 μm槽型的精密加工表面粗糙度(Ra)<0.8 μm，此類高效精密制備方法也一直是國內(nèi)技術(shù)短板.上游泵送密封多用于液相介質(zhì)，源自氣體潤滑軸承技術(shù)，1981年，首個上游泵送密封專利技術(shù)獲批，20世紀90年代以來，對這一技術(shù)的研究逐漸增多，形成了系列產(chǎn)品并在工業(yè)中成功應(yīng)用[18].

綜上可知，非接觸式流體密封仍然存在許多不足：(1) 迷宮、干氣、螺旋和間隙密封等密封形式存在直通型透氣效應(yīng)，致使泄漏大及封嚴效率低；(2) 干氣、離心、螺旋和上游泵送密封等過分依賴主軸轉(zhuǎn)速，啟動停車階段會失去密封能力；(3) 干氣、上游泵送和螺旋密封等輔助裝置復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差.雖然存在一定的不足，但無固相磨損的非接觸形式仍不失為高工況下先進密封技術(shù)的發(fā)展方向，如能進一步通過創(chuàng)新流體阻塞機制，提高封嚴效率、避免對轉(zhuǎn)速的依賴，將使非接觸密封技術(shù)煥然一新.

1 新型自沖擊密封的提出

作者所在課題組借鑒平面特斯拉閥結(jié)構(gòu)及其被動式流體阻塞原理提出了1種新型自沖擊非接觸式流體密封結(jié)構(gòu)[19-20]，為提高非接觸式流體密封的整體性能提供了1種全新封嚴形式[21-22]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.可以看出，自沖擊密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常簡潔，層疊式結(jié)構(gòu)具有極高的級數(shù)布置效率，主體僅包括外環(huán)、懸柱和內(nèi)環(huán)3個部分.關(guān)鍵部件懸柱根據(jù)其置于內(nèi)環(huán)或外環(huán)而分別轉(zhuǎn)動或靜止，每個懸柱纏繞一定厚度(依據(jù)具體密封間隙而定)和數(shù)量的窄邊錫箔材料，即可壓入相應(yīng)內(nèi)外環(huán)槽內(nèi)卡緊，實現(xiàn)有效定位.理論上講，高壓介質(zhì)進入這一結(jié)構(gòu)后會被逐級節(jié)流降速，當級數(shù)足夠多時，即可實現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏.課題組研究表明，新型密封具備的自沖擊阻流形式，其節(jié)流效率顯著高于間隙、螺旋和迷宮密封等具有顯著直通效應(yīng)的非接觸密封形式；以密封間距為指標，新型密封實現(xiàn)標準泄漏時的密封間距是干氣密封十幾倍甚至幾十倍，且新型密封間距為剛性間隙，穩(wěn)定性更高.可見，自沖擊型密封結(jié)構(gòu)的提出，將衍生出1種密封新理論和原創(chuàng)技術(shù)，有助于實現(xiàn)對現(xiàn)有非接觸密封體系的理論拓展和技術(shù)革新.

Fig.1 New Self-impact Seal Laminated type model圖1 新型自沖擊密封層疊式結(jié)構(gòu)模型

自沖擊密封以其獨特的特斯拉閥型通道，借助流場中流體的自我沖擊實現(xiàn)動能到內(nèi)能的轉(zhuǎn)換，進而達到能量耗散實現(xiàn)封嚴的目的.具體來看，其內(nèi)部流場復(fù)雜，具有沖擊、摩阻和流束收縮等形式.進一步揭示自沖擊密封封嚴機理是推進此類密封進入實際應(yīng)用的關(guān)鍵，本文中研究了進口壓強、交錯比和密封間隙對自沖擊密封熵增以及泄漏量的影響規(guī)律，從熱力學角度對自沖擊密封流場特性和泄漏特性進行了分析，揭示了自沖擊密封封嚴機理，為自沖擊密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及實際開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù).

2 基于熱力學效應(yīng)的泄漏量理論分析

2.1 密封熱力學焓理論

自沖擊密封內(nèi)氣流在進出口壓差的作用下從高壓處流向低壓處.密封氣流分析圖如圖2所示，取密封內(nèi)的某段為研究對象，A和B分別表示氣體經(jīng)過密封時的某2個翼狀的相同位置.從熱力學效應(yīng)角度來考慮，氣體由位置A的狀態(tài)量(Pa，Ta)經(jīng)過流動后到達位置B，其狀態(tài)量變?yōu)?Pb，Tb)，其中Pa和Pb分別表示氣體在A和B位置處的壓力，Ta和Tb分別表示氣體在A和B處的熱力學溫度.

Fig.2 Sealing air flow analysis diagram圖2 密封氣流分析圖

熱力學中焓是表征物質(zhì)能量的1個狀態(tài)量，其反映的是系統(tǒng)所具有的能量.對密封氣體來說，焓表示了氣體所具有的熱力學能和它所具有的推動功，焓增則表示氣體從狀態(tài)A變?yōu)闋顟B(tài)B吸收的熱量.由于密封腔內(nèi)體積不變，氣體所具有的熱力學能為

式中，u為單位質(zhì)量氣體的熱力學能；CV為單位質(zhì)量氣體的定容熱容量，T表示熱力學溫度.

克拉貝隆方程如下：

式中，Rg=287 J/(kg·mol·K)，為理想氣體常數(shù)，P為壓強(Pa)，V為氣體體積(m3).

密封內(nèi)氣體焓的表達式可定義為

式中，Cp為單位質(zhì)量氣體的定壓熱容量.

氣體從位置A流動到位置B后，焓增為

式中，hb為氣體在位置B的焓，ha為氣體在位置A的焓.

2.2 密封熱力學熵理論

熵描述的是內(nèi)能與其他形式能量自發(fā)轉(zhuǎn)換的方向和轉(zhuǎn)換完成的程度.對密封內(nèi)氣體來說，熵增的大小反映了動能轉(zhuǎn)換成熱能的程度，熵增越少，氣體熱力學效應(yīng)就越充分，密封封嚴效果就越好.氣體從位置A流動到位置B后，熵增的值為

式中，dq為單位質(zhì)量氣體從位置A到位置B交換的熱量；ds是此過程中單位質(zhì)量氣體的熵增.

由熱力學第一定律，有

式中，dT表示溫度的微小變化量，dp表示壓力的微小變化量.

結(jié)合式(2)，密封內(nèi)氣流熵增的值為

積分式(7)得到位置A到位置B的熵增：

2.3 考慮熱力學效應(yīng)的密封泄漏計算

新型密封的沖擊效應(yīng)實際也是1種將密封流體的動能轉(zhuǎn)換為熱能的熱力學過程，由此可采用Egli經(jīng)驗公式[23]計算自沖擊密封泄漏量，公式如下：

式中，K為泄漏系數(shù)，A為密封間隙處的迎氣面積；Ptot,in為氣體進口總壓；Psta,out為氣體出口靜壓；Ttot,in為氣體進口總溫；n為自沖擊密封級數(shù).其中，修正系數(shù)K的確定是密封泄漏公式的關(guān)鍵.

由式(8)可知，在不考慮密封級間流動過程中的微小溫度變化時，熵增的公式可簡化為

將式(10)代入式(9)式中可得：

式(11)建立了熵增與泄漏量的關(guān)系，而熵增的大小反映了自沖擊密封氣體熱力學效應(yīng)的程度，因此可以通過此公式直觀地反映氣體熱力學效應(yīng)與泄漏量的關(guān)系.

3 自沖擊密封數(shù)值求解模型

3.1 基本假設(shè)

特斯拉閥結(jié)構(gòu)適用于低黏度流體[24]，密封介質(zhì)選擇空氣.對密封流道模型作如下假設(shè)：

(1)新型密封流體為連續(xù)介質(zhì)流動[25]，內(nèi)部為湍流流場；

(2)流場中氣膜的溫度和黏度相等[26]；

(3)氣體分子與潤滑層管道壁面牢固吸附，無相對滑移；

(4)忽略密封通道變形對介質(zhì)流動的影響；

(5)忽略氣體重力的影響；

(6)密封管道內(nèi)壁表面理論光滑.

3.2 控制方程及求解

采用ANSYS開發(fā)的Fluent軟件對自沖擊密封進行數(shù)值模擬，該結(jié)構(gòu)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：

式中，ρ為流體密度； ?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； Γ?為擴散系數(shù)；S?為源項.

邊界條件選擇采用強制性壓力邊界條件：入口處，有p=Pin(介質(zhì)壓力)；出口處，有p=Pout(大氣壓).

近壁區(qū)邊界條件采用壁面函數(shù)法，壓力與速度耦合方法為SIMPLE格式，選用k-ω湍流模型，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(shè)為10-5，能量方程設(shè)為10-6.研究不同壓比和密封間隙對自沖擊密封熵增和泄漏量的影響規(guī)律，基本參數(shù)列于表1中.

表1 自沖擊密封幾何參數(shù)Table 1 Self-impact Seal Geometric parameter

3.3 密封模型及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

自沖擊密封的三維泄漏通道是基于平面特斯拉閥設(shè)計的，單級尺寸結(jié)構(gòu)如圖3右圖所示，R為回轉(zhuǎn)半徑，L為流距，α為分流角，R、L和α三者存在互相制約的關(guān)系.模型中每個密封級尺寸一致，左側(cè)為高壓入口、右側(cè)為大氣側(cè)低壓出口.多個密封級串聯(lián)起來共同組成自沖擊密封三維泄漏通道.

Fig.3 Self-impact Seal Dimension drawing圖3 自沖擊密封尺寸圖

采用UG軟件對自沖擊密封進行全尺寸建模，然后導(dǎo)入Fluent meshing中進行網(wǎng)格劃分，可以通過對Surface Mesh Controls系列參數(shù)包括Min size、Max size、Growth和Cells Per Gap的整體控制和調(diào)整，實現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分及局部加密，網(wǎng)格劃分效果如圖4所示.

Fig.4 Sealing structure mesh model圖4 密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

圖5所示為網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果，從圖5中可以看出泄漏量隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律，隨著網(wǎng)格數(shù)的增大，泄漏量減小且漸趨穩(wěn)定，在網(wǎng)格數(shù)達到130萬后趨于穩(wěn)定.因此，后續(xù)計算中，兼顧計算精度和效率的要求，文中選取網(wǎng)格數(shù)量均在140萬以上.

Fig.5 Effects of the mesh quantity on leakage圖5 泄漏量隨網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢

4 計算結(jié)果與分析

4.1 流場特性

4.1.1 壓力特性

圖6所示為自沖擊密封不同位置對應(yīng)的壓力云圖，可以看出，內(nèi)部氣體由高壓端入口進入后，壓力呈逐級降低的趨勢，密封壓降位于兩級密封間的交匯處.流體間的沖撞、分叉形成的沖擊阻塞效應(yīng)在交匯位置表現(xiàn)最為強烈，這一位置也是壓力能(動能)轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵位置.此外，交匯位置的沖擊還容易形成流體的漩渦和耗散不充分等情形，下文中的速度云圖將更加清晰地顯示這一現(xiàn)象.

Fig.6 Pressure nephogram (Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖6 壓力云圖(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.1.2 速度特性

圖7所示為自沖擊密封的速度矢量分布圖，通過對沖擊交匯位置進行局部放大可以看出，氣流經(jīng)過交匯位置時沖擊異常劇烈，流體流速經(jīng)沖擊耗能以后整體呈降低趨勢，動能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散.每個交匯處的氣體速度分布類似，交匯沖擊位置的流速會出現(xiàn)短暫提升而后迅速降低，這是由沖擊產(chǎn)生的自收縮效應(yīng)所致.流體經(jīng)過如此逐級沖擊以后，動能逐漸減小，壓差及流速也逐漸降低，進而實現(xiàn)節(jié)流抑漏的封嚴效果.

Fig.7 Velocity nephogram (Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖7 速度云圖(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.1.3 溫度特性

圖8所示為自沖擊密封的溫度變化云圖，由圖8可以看出，氣流流經(jīng)整個流道時的溫度呈逐級上升趨勢，溫度變化規(guī)律符合前文中分析的動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能作用機制.溫度的顯著變化位置仍然位于交匯區(qū)域，而在通道內(nèi)溫度變化較小，進一步顯示了交匯區(qū)域流體沖擊的激烈程度.由溫度云圖還可以看出，最高溫度位于串聯(lián)層疊式結(jié)構(gòu)的第3列處，原因是氣體歷經(jīng)密封交匯處的層層阻隔，當進入第4列后，速度降至最低，使得位于翼狀交匯處的沖擊激烈程度減小，產(chǎn)生的熱能減小，溫度也隨之降低.通過溫度云圖的局部放大圖可以看出，越接近內(nèi)環(huán)流道壁面，氣流溫度越高，這是由于內(nèi)環(huán)為旋轉(zhuǎn)部件，旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一定的摩阻效應(yīng)，使得貼近內(nèi)環(huán)壁面的溫度高于其他部位.

Fig.8 Temperature nephogram (Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖8 溫度云圖(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.2 泄漏系數(shù)K的確定

Egli經(jīng)驗公式主要基于對流動過程的熱力學分析、簡化和假設(shè)，再通過某些計算方法而得到計算泄漏量，實際泄漏量則是需要通過“泄漏系數(shù)K”進行修正得到[27].目前，“泄漏系數(shù)K”一般都是根據(jù)特定的試驗數(shù)據(jù)或者采用經(jīng)驗數(shù)值確定，本文中通過泄漏經(jīng)驗公式及數(shù)值仿真，分別計算自沖擊密封的泄漏量.圖9(a)所示為不同泄漏系數(shù)下經(jīng)驗公式與仿真結(jié)果的平均相對誤差變化曲線，可以看到，當泄漏系數(shù)K=0.7時平均相對誤差最小，二者計算結(jié)果最接近，故泄漏系數(shù)K取0.7.圖9(b)所示為泄漏系數(shù)K=0.7時，基于不同密封級數(shù)下的泄漏公式和數(shù)值仿真的計算結(jié)果對比曲線，二者趨勢符合較好.

Fig.9 Comparison results of average relative error and leakage in different series (h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖9 不同級數(shù)下平均相對誤差及泄漏量對比結(jié)果(h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.3 基于熱力學效應(yīng)的封嚴機理研究

4.3.1 壓力對密封熱力學效應(yīng)的影響

圖10所示為壓力變化對熵焓變化的影響規(guī)律，可以看出，二者都隨壓力的增大而增大，呈線性關(guān)系.熵增(Δs)隨壓力的增大而迅速增大，說明壓力的升高進一步提升了密封介質(zhì)動能轉(zhuǎn)化成熱能的效率，熱能的增加也就越大；焓增(Δh)主要反應(yīng)密封間隙內(nèi)溫度的變化情況，隨著壓力的增大焓增呈增加趨勢，說明密封介質(zhì)的溫度也隨壓力增大呈上升趨勢.可見，壓力的增大對自沖擊密封的熱力學效應(yīng)影響顯著，因此，如何在高壓下實現(xiàn)高效封嚴將是新型密封的研究重點和方向.

Fig.10 The influence law of pressure change on thermodynamic effect (Z=15; h=150 μm; N=20000 r/min)圖10 壓力變化對熱力學效應(yīng)的影響規(guī)律(Z=15;h=150 μm; N=20000 r/min)

4.3.2 密封間距對密封熱力學效應(yīng)的影響

新型密封的抑漏形式類似迷宮密封，流體的減壓降速過程都發(fā)生于密封各級的微尺度間隙中，密封間距的變化會直接影響微尺度流場中的能量耗散.圖11所示為不同密封間距時的熵焓變化規(guī)律，可見，密封間距對熵焓變化有顯著影響，二者變化規(guī)律基本一致，都隨間距的增大而增大，且在密封間距h大于270 μm時，焓增和熵增隨間距增大而增大的趨勢明顯放緩.對于熵值而言，密封間距的增大，增大了內(nèi)部流體自沖擊的能量，使得內(nèi)能轉(zhuǎn)化量增大，整體熵值增加；對于焓值而言，密封間距的增大同樣使得每次沖擊時的流體內(nèi)能轉(zhuǎn)化量增大.但需要說明的是，密封間距的增大僅表明流道內(nèi)沖擊的流體量更多、沖擊能量更大、內(nèi)能轉(zhuǎn)化更多，不代表內(nèi)能的轉(zhuǎn)化效率越高，內(nèi)能轉(zhuǎn)化效率還受壓力、流速和介質(zhì)屬性等多因素影響，是新型密封需要系統(tǒng)研究的重要方向.

Fig.11 The influence law of seal spacing change on thermodynamic effect (Z=12; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖11 密封間距變化對熱力學效應(yīng)的影響規(guī)律(Z=12;N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.3.3 泄漏特性綜合分析

為系統(tǒng)研究新型密封的泄漏特性，同時驗證理論公式，進一步綜合分析了壓力、密封間距和轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響，結(jié)果如圖12所示.可以看出，不同轉(zhuǎn)速和壓力下仿真計算結(jié)果與泄漏公式符合最好(不同轉(zhuǎn)速下的結(jié)果誤差約為7.59%)，不同密封間距下二者的計算結(jié)果誤差較大，可能大間距下單純的理論公式未有考慮諸如系數(shù)非線性變化、氣體流態(tài)和渦旋流場等情況，使得與仿真模擬結(jié)果出現(xiàn)較大偏差.由圖12還可以看出，新型密封泄漏量受壓力和密封間距變化影響較大，隨壓力和密封間距的增大近似呈線性增大趨勢.而轉(zhuǎn)速在整個變化區(qū)間內(nèi)對泄漏量的影響較小，表明新型密封的封嚴特性基本不受轉(zhuǎn)速變化的制約，這一特性使得其被用于各類啟停工況頻繁及轉(zhuǎn)速變化較大的場合有顯著優(yōu)勢.

Fig.12 The influence law of various parameters on the leakage characteristics圖12 各類參數(shù)對泄漏特性的影響規(guī)律

4.3.4 溫度特性綜合分析

根據(jù)前文中的分析，新型密封主要是通過影響密封介質(zhì)的熱力學效應(yīng)來實現(xiàn)封嚴抑漏的，最終將介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)換為熱能，可見，溫度的變化及演化特性對新型密封的功能實現(xiàn)至關(guān)重要.圖13所示為密封級數(shù)Z=12時，從密封入口(Z=1)至密封出口(Z=12)位置時各級數(shù)對應(yīng)的溫度變化情況，可以看出，由入口開始溫度是逐級升高的，至8~10級(第3列位置)溫度達到最高(428 K)，與上述溫度場表現(xiàn)一致.在圖13中所示工況下，以出入口溫度為依據(jù)，經(jīng)計算，出口溫度(409 K)相對于入口溫度(318 K)提高了28.6%，可見，降壓手段、散熱問題及材質(zhì)的耐熱性將是新型密封結(jié)構(gòu)實用化面臨的關(guān)鍵問題.

Fig.13 Temperature change from inlet to outlet levels(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; P=0.5 MPa)圖13 入口至出口各級數(shù)溫度變化(Z=12; h=150 μm;N=20000 r/min; P=0.5 MPa)

圖14(a)、(b)、(c)和(d)分別為壓力、轉(zhuǎn)速、密封級數(shù)和間距變化對自沖擊密封出口溫度的影響規(guī)律，可以看出，出口溫度隨壓力增大呈顯著上升趨勢，壓力仍然是影響密封出口溫度的關(guān)鍵因素；轉(zhuǎn)速變化對出口溫度的影響仍不明顯，一定工況下，超過某一轉(zhuǎn)速時[圖14(b)所示為N=30000 r/min左右]后出口溫度隨轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)較緩慢的上升趨勢，這是由于較高轉(zhuǎn)速下，氣體間的剪切摩擦熱以及氣體與旋轉(zhuǎn)部件間的摩擦熱逐漸增大；出口溫度隨密封間距的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在密封間距h=270 μm時出口溫度最高，說明這一工況下此間距時的動能轉(zhuǎn)化能量最高(能量最高并不意味節(jié)流效率最高，節(jié)流效率與轉(zhuǎn)化率有關(guān))；出口溫度受密封級數(shù)的影響較為明顯，隨級數(shù)的增大呈現(xiàn)先降低后平緩的變化趨勢，當級數(shù)大于20時出口溫度變化不再明顯，這是由于隨著級數(shù)的增大，流體于密封通道內(nèi)的耗散過程也增加，熱能分布也越均勻，但級數(shù)過大會提高設(shè)計和加工難度，應(yīng)結(jié)合實際泄漏要求合理確定密封級數(shù).

Fig.14 The influence law of various parameters on the temperature characteristics圖14 各類參數(shù)對溫度特性的影響規(guī)律

4.3.5 自沖擊密封封嚴機理分析

根據(jù)上述研究結(jié)果可知，氣體通過自沖擊密封三維通道時的沖擊效應(yīng)主要包括熱力學效應(yīng)、流束收縮效應(yīng)和摩阻效應(yīng)3個效應(yīng)：

(1) 熱力學效應(yīng).通過速度云圖和溫度云圖可知，氣體通過自沖擊密封三維特斯拉閥流道時，由于流道結(jié)構(gòu)的特殊性，密封腔內(nèi)流體分成兩部分并最終在每個密封級交匯區(qū)內(nèi)形成相互沖擊，通過逐級不斷地沖擊致使氣體的動能逐步轉(zhuǎn)化為熱能而耗散，進而使得溫度升高，熵值增加.流體間的沖撞、分叉形成的沖擊阻塞效應(yīng)在交匯位置表現(xiàn)最為強烈，這一位置也是壓力能(動能)轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵位置，同時氣流經(jīng)過交匯位置時沖擊異常劇烈，流體流速經(jīng)沖擊耗能后整體呈降低趨勢，動能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散，流體間的相互沖擊作用產(chǎn)生的熱力學效應(yīng)是自沖擊密封封嚴的主要原因.

(2) 流束收縮效應(yīng).氣體通過自沖擊密封交匯區(qū)時，由于壓差和沖擊的作用而產(chǎn)生擠壓收縮，被擠壓收縮后的氣體最終流向下一密封級再次經(jīng)歷相同的沖擊收縮過程.收縮效應(yīng)會使這一短暫階段內(nèi)的氣體流速升高，溫度和壓力降低，內(nèi)能向動能轉(zhuǎn)化，具有瞬時、局部作用的特點.整體而言，流束收縮效應(yīng)不利于整個密封的抑漏實現(xiàn)，但流速的增大有助于提高下一階段的沖擊阻塞效果.

(3) 摩阻效應(yīng).通過溫度云圖可以看出，高轉(zhuǎn)速下氣體與轉(zhuǎn)子的摩擦導(dǎo)致溫度沿介質(zhì)厚度方向逐次變化，氣流越接近轉(zhuǎn)子流道壁面，溫度越高；氣體在通過自沖擊密封管道時也會與靜止壁面(外環(huán)和對應(yīng)懸柱)產(chǎn)生摩擦，最終也會形成一定的摩阻效應(yīng)，有利于流道中流體動能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化.可見，摩阻效應(yīng)能夠使氣體流速減慢，具有一定的阻流、抑漏效果，有利于自沖擊密封封嚴.

5 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代設(shè)計和分析技術(shù)的迅速發(fā)展，對傳統(tǒng)基礎(chǔ)類部件(如齒輪、軸承和密封件等)進行結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化的空間正逐漸消失，新型結(jié)構(gòu)的成功提出則更加困難.自沖擊密封是作者所在課題組首次提出的1種新型密封結(jié)構(gòu)形式，目前已初步完成理論分析和機理探索，正在向?qū)嵱没A段邁進，這一結(jié)構(gòu)自提出以來得到了廣大同行和前輩的高度關(guān)注，本文中進一步探究了該結(jié)構(gòu)的封嚴機理，具體結(jié)論包括以下幾個方面：

a.提出的考慮熱力學效應(yīng)的密封泄漏量公式，仿真模擬結(jié)果與理論公式計算結(jié)果符合較好，可以直觀地反映出熱力學效應(yīng)與泄漏量之間的關(guān)系.

b.熱力學效應(yīng)是自沖擊密封封嚴的主要原因，而流束收縮效應(yīng)和摩阻效應(yīng)一定程度上也有利于動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，與現(xiàn)有非接觸密封(間隙、螺旋、迷宮及間隙密封等)相比，經(jīng)自沖擊作用后的流體透氣效應(yīng)基本可以忽略，研究如何進一步提高熱力學效應(yīng)是提升自沖擊密封封嚴性能的關(guān)鍵.

c.壓力和密封間距增大都會降低自沖擊密封內(nèi)部的熱力學效應(yīng)，增大密封泄漏量，如能在大間距下實現(xiàn)抑漏則會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好.所以研究如何提升高壓及大間距下新型密封的封嚴效率是自沖擊密封實用化的關(guān)鍵，可進一步結(jié)合降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計、耐高溫材料選擇等思路深入探究.