柱面螺旋槽氣液兩相流體動壓密封穩(wěn)態(tài)性能研究*

丁雪興 劉 紅 王世鵬 嚴如奇 徐 潔

(蘭州理工大學石油化工學院 甘肅蘭州 730050)

柱面密封是一種浮動式非接觸密封，因具有獨特結(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，備受航空航天發(fā)動機密封領(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，且具有自動對中的特性，在航空發(fā)動機中用柱面密封替換迷宮密封，能有效地降低泄漏量和動靜碰摩[4]。

由于柱面密封的工作原理和氣體潤滑軸承[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：一些學者[7-9]針對柱面密封在運行過程中出現(xiàn)碰摩或流體密封等各類問題建立密封氣膜模型，采用商業(yè)成熟軟件Fluent對其密封結(jié)構(gòu)進行流場模擬，最后用實驗加以驗證支撐；還有一些學者[10-14]根據(jù)密封氣膜模型，建立相對應(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，針對柱面氣液兩相介質(zhì)狀態(tài)下的研究目前鮮見報道。但對于動壓軸承摩擦副以及其他場合的氣液兩相潤滑已有相關(guān)研究[15]。FARRALL等[16-17]考慮軸承腔內(nèi)油滴行為的兩相流動提出一種預(yù)測方法，對航空發(fā)動機軸承室內(nèi)油滴、油膜之間的相互作用，以及氣相流場中油滴運動及碰撞狀態(tài)對潤滑油流出狀態(tài)的影響進行了分析，指出油滴的初始分布對油滴的分布有顯著的影響。GLAHN等[18-19]針對軸承室壁油膜流動條件下的兩相流動和傳熱現(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)，對航空發(fā)動機軸承室氣、油兩相流以及油膜流動特性進行了研究,并嘗試通過流動特征參數(shù)構(gòu)建換熱特性和工況結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗關(guān)系。李世聰?shù)萚20]考慮變形對流體膜的影響，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)對其密封性能的影響。郝木明等[21]針對阻塞氣壓力降低時,被密封液相介質(zhì)進入密封間隙可能會出現(xiàn)的現(xiàn)象，利用 Fluent 軟件流場模擬，探究了氣液兩相介質(zhì)、壓力分布及其密封性能隨時間的變化規(guī)律。

因此，本文作者以航空發(fā)動機軸承腔內(nèi)潤滑油與加壓密封氣流在轉(zhuǎn)軸攪拌作用下形成復(fù)雜油氣兩相流動為背景，研究氣液兩相介質(zhì)柱面螺旋槽流體動壓密封穩(wěn)態(tài)性能；針對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)流場仿真軟件Fluent得到油氣混合流體的壓力場；分析操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對動壓密封性能的影響，得到氣液兩相潤滑下柱面螺旋槽流體動壓密封的重要參數(shù)性能的變化規(guī)律，為氣液混合潤滑動壓密封的兩相潤滑特性及穩(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壓密封系統(tǒng)簡化的幾何模型，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為浮動角，θ為轉(zhuǎn)動角，Oj和Ob之間的距離為偏心距e，運行參數(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題可以依照多相流模型來進行選擇，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，Mixture模型和Eulerian模型均適用于計算域內(nèi)有相混合或分離的情況，且分散相體積分數(shù)大于10%的情況。但相比之下，Mixture模型計算量更小，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，且油滴顆粒互相之間不產(chǎn)生碰撞、破碎或聚合[23]；同時假設(shè)密封間隙的流體與軸套外表面以及浮環(huán)的內(nèi)表面沒有相對滑移，流體膜內(nèi)的流動為湍流流動。Mixture模型控制方程如下：

(1)

(2)

式中:下標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為動力黏度；vdr,k表示次相k滑移速度；αk表示第k相的體積分數(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個指標對密封性能進行評價。

(1)泄漏率：泄漏率直接反映了密封的密封效果，F(xiàn)luent軟件可以直接計算出單位時間內(nèi)通過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際高速運轉(zhuǎn)時，螺旋槽的動壓效應(yīng)會使得密封軸套與浮環(huán)分開，使得其被推開的開啟力可由油氣兩相流體膜壓力場積分求得：

(4)

1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

柱面非接觸式流體膜密封工作時在軸套和浮環(huán)之間形成了一層較薄且開啟力較大的密封流體膜，這層流體膜起到了潤滑、支撐和穩(wěn)定等作用[24-25]。劃分該模型的網(wǎng)格時存在3個難點：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，需要對其進行多塊處理；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。

為驗證網(wǎng)格無關(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，為在模擬計算時提高計算效率的同時并減少工作量，文中采用數(shù)目為198 480的網(wǎng)格來計算。

1.4 求解流程及相關(guān)條件設(shè)置

將計算域網(wǎng)格模型導入到Fluent中，設(shè)置材料參數(shù)和工況參數(shù)，采取穩(wěn)態(tài)模型進行計算，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數(shù));

(5)與動環(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行求解，設(shè)置壓力、動量、能量、湍動能均為QUICK格式。

1.5 流場模擬有效性驗證

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

2 結(jié)果與討論

在不考慮溫度因素的前提下，按圖3所示計算流程對氣液兩相柱面螺旋槽流體動壓密封進行求解計算。計算過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，進口壓力為0.4 MPa,出口壓力為標準大氣壓時，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)氣膜最薄處壓力達到最大值。在軸向方向，由于壓差產(chǎn)生的壓力流以及動壓效應(yīng)，使壓力在槽根處達到局部最大，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，當密封介質(zhì)變?yōu)橛?氣兩相時，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與純氣相的總體相似，但液相的介入會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，對氣相介質(zhì)的阻塞程度增大，進而有利于增強流體動壓效應(yīng)。

2.2 工況參數(shù)對密封性能的影響

2.2.1 轉(zhuǎn)速對密封性能的影響

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?？梢钥闯觯煌簹獗认?，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，在20 000～30 000 r/min范圍內(nèi)浮升力增長2.10%；液氣比為0.1時，浮升力增長2.77%；液氣比為0.2時，浮升力增長9.6%。同時可以發(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。主要是因為在工作間隙一定的情況下，密封的轉(zhuǎn)速越大，動壓效果越強，而液氣比越大，壓力場就越大。

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?？梢钥闯觯寒斠簹獗葹?時(即純氣相為0)，泄漏率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；而當含有液體時，泄漏率隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。其中液氣比為0.1時，泄漏率減小3.94%，液氣比為0.2時，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)摩擦力會較大，進而對氣相介質(zhì)的阻塞程度增大，因此當油相介質(zhì)介入，泄漏率會隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。

2.2.2 壓差對密封性能的影響

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?？梢钥闯?，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，浮升力均呈線性增長趨勢。這是由于隨著液氣比的增加，混合物密度、黏度會增大，所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力就會變大，進而對氣相介質(zhì)的阻塞程度增大，導致產(chǎn)生更強的動壓效應(yīng)；同時在軸套與浮環(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?？梢钥闯觯寒攭翰钣?.2 MPa增加到1 MPa，液氣比從0(即為純氣相)增加到0.2時，泄漏率的增長率從79.1%降至62.26%，表明對于柱面微間隙流體膜來說，流體動壓主要是由密封環(huán)旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的圓周式流動和進出口產(chǎn)生的壓力梯度導致的軸向流動。隨著液氣比的增加，泄漏率呈增長趨勢的，但是增長的速度逐漸變慢，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，進而有效地阻止了氣體的泄漏，因此增長的趨勢逐漸變慢。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響

2.3.1 螺旋角對密封性能的影響

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，進而螺旋槽對介質(zhì)的壓縮作用逐漸減弱，導致膜壓力下降，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，因此動壓效果相對較強，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?？梢钥闯觯S螺旋角的增大，氣體泄漏量先增大后趨于平穩(wěn)。進一步分析可以得出，當液氣比為0時(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，說明油相的存在有效地阻止了氣體的泄漏。

2.3.2 槽深對密封性能的影響

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，因此流體動壓效應(yīng)就會減弱，進而浮升力就會減?。灰簹獗葹?.2時的浮升力均大于液氣比為0.1時，液氣比為0.1時的浮升力均大于液氣比為0時，說明液氣比的增大對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)的量就會越多，因此泄漏率就會逐漸增大。進一步觀察可知：在液氣比為0時(即純氣相)，泄漏率較大，當有液相介入時，泄漏率較小。主要原因是當液相介入時，由于液體自身重力因素，轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時，大部分液體聚集在槽根部，進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越多，因此氣體泄漏就會越少。

2.3.3 槽數(shù)對密封性能的影響

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；但當槽數(shù)繼續(xù)增加時，浮升力趨于平穩(wěn)，因此在保證密封性能的同時，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。可以看出：隨槽數(shù)的增加，泄漏率逐漸減小。進一步觀察可以看出，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，柱面螺旋槽流體動壓密封在氣液兩相下的動壓效果明顯優(yōu)于純氣相。

(2)轉(zhuǎn)速、壓差以及液氣比的增大對于柱面流體動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。

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