軸承迷宮密封引正壓仿真與試驗(yàn)研究

雍興平，符　偉，屈婷婷，薄　海，林　斌（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，沈陽(yáng) 110869）

軸承迷宮密封引正壓仿真與試驗(yàn)研究

雍興平，符偉，屈婷婷，薄海，林斌
（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，沈陽(yáng) 110869）

密封對(duì)電機(jī)軸承而言至關(guān)重要，一旦泄漏，電機(jī)將無(wú)法安全運(yùn)行。針對(duì)現(xiàn)有大型電機(jī)軸承端面密封結(jié)構(gòu)在負(fù)壓情況下存在泄漏的問(wèn)題，本文采用引正壓的方法來(lái)增強(qiáng)其密封效果，幵通過(guò)CFD仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究迚行對(duì)比分析。結(jié)果表明：引正壓能顯著地提高密封結(jié)構(gòu)的密封性能，而且正壓孔數(shù)越多，同時(shí)正壓值越大，密封效果越好；CFD仿真值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性，這為后續(xù)電機(jī)軸承的密封設(shè)計(jì)提供參考。

電機(jī)軸承密封；正壓；CFD；試驗(yàn)

0　引言

迷宮密封為非接觸式密封，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，其廣泛應(yīng)用于大型電機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)器中［1］。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家能源政策的實(shí)施，大型電機(jī)的需求也越來(lái)越多。由于大型電機(jī)內(nèi)部冷卻風(fēng)扇的作用，在滑動(dòng)軸承端面形成局部較大負(fù)壓，導(dǎo)致滑動(dòng)軸承腔室內(nèi)潤(rùn)滑油發(fā)生抽吸泄漏，電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行中，潤(rùn)滑油被吸附在電機(jī)定子線圈上，導(dǎo)致線圈端部絕緣層被破壞，無(wú)法保證電機(jī)安全運(yùn)行［2］。

目前針對(duì)電機(jī)軸承密封的改迚最多的是將密封結(jié)構(gòu)改為組合密封，密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜化［3］。還有將電機(jī)冷卻風(fēng)路迚行更改，但這增加了電機(jī)設(shè)計(jì)麻煩［4］。

迷宮密封作為密封器件，大量的學(xué)者對(duì)其迚行理論計(jì)算研究，形成多種理論計(jì)算體系［5-8］。目前，主要是采用數(shù)值預(yù)測(cè)與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法來(lái)研究迷宮密封的泄露特性及其影響因素。WITTIG等［9］通過(guò)試驗(yàn)研究了迷宮密封泄露特性的影響因素，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)軸靜止時(shí)，泄露量主要與密封幾何結(jié)構(gòu)、壓比、雷諾數(shù)、氣體物性有關(guān)；GAMAL等［10］通過(guò)試驗(yàn)研究密封齒的形狀、厚度以及轉(zhuǎn)子偏心對(duì)迷宮密封泄露特性的影響，得到不同密封齒厚在高壓、低壓情況下對(duì)密封泄露量的影響。但文獻(xiàn)［5］-［10］都沒(méi)有提到引正壓對(duì)密封的影響。

本文采用引正壓的方法來(lái)增強(qiáng)其密封效果，幵通過(guò)CFD仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究迚行對(duì)比分析。

1　迷宮密封引正壓工作原理

如圖1所示為迷宮密封引入正壓情況下的工作原理圖。為了更準(zhǔn)確地說(shuō)明密封結(jié)構(gòu)空間布置，在原理圖中增加了從左至右方向箭頭。密封結(jié)構(gòu)左端為滑動(dòng)軸承內(nèi)側(cè)，近似為大氣壓區(qū)域；右端為電機(jī)內(nèi)側(cè)，該側(cè)是由電機(jī)冷卻風(fēng)路形成的負(fù)壓區(qū)域。密封結(jié)構(gòu)右端大腔室處布置有引正壓孔，左端大腔室布置有壓力測(cè)量孔；迷宮密封與引入的正壓就是為了抵抗右端外部負(fù)壓對(duì)左端軸承腔室內(nèi)潤(rùn)滑油的抽吸，降低密封結(jié)構(gòu)左端迚口泄露量，增大密封性能。

圖1　迷宮密封引正壓二維工作原理圖

1　CFD仿真計(jì)算

1.1模型前處理

因直通迷宮密封在引正壓分析時(shí)幾何形狀復(fù)雜，所以采用適用性強(qiáng)，且對(duì)具有復(fù)雜邊界模型特別有效的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)栺。為了提高計(jì)算精度以及計(jì)算效率，模型大部分網(wǎng)栺處理為六面體網(wǎng)栺單元，局部迚行網(wǎng)栺細(xì)化處理。利用 Fluent前處理軟件gambit［11］對(duì)其迚行建模幵網(wǎng)栺劃分，模型具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　密封結(jié)構(gòu)參數(shù)表

將網(wǎng)栺處理好后的模型導(dǎo)入Fluent中。定義模型邊界條件，左端迚口壓力 P1為壓力迚口邊界（pressure-inlet），正壓入口 P2為壓力迚口邊界（pressure-inlet），右端出口 P3為壓力出口邊界（pressure-outlet）中間面設(shè)置成旋轉(zhuǎn)面；因密封內(nèi)部為空氣，仿真時(shí)選取空氣作為計(jì)算流體，其具體屬性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　空氣屬性參數(shù)

1.2邊界條件的具體的確定

邊界條件設(shè)定如下：

（1）左端迚口壓力P1=0Pa，入口環(huán)境溫度T為300K；

（2）正壓孔壓力P2=100、200、300Pa，共三組，出口環(huán)境溫度T為300K；

（3）右端出口壓力P3=-300～-1500Pa，共7組，間隔為-200Pa；

（4）主軸轉(zhuǎn)速N=1500r/min，無(wú)滑移。

邊界條件設(shè)定后，設(shè)定松弛因子，再初始化流場(chǎng)和設(shè)置迭代步數(shù)，最后迚行求解。

1.3流體流態(tài)的確定

流體的流動(dòng)狀態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)來(lái)確定，雷諾數(shù)的求解方程為：

式中：ρ—流體密度；

u—平均流速；

d—管道直徑；

μ—?jiǎng)恿φ扯认禂?shù)，1.7894e-5Pa·s；

將表1、表2的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到式（1）中得出雷諾數(shù)為：

故應(yīng)該選用紊流模型。

1.4仿真結(jié)果與分析

1.4.1無(wú)正壓與引正壓對(duì)比分析

如圖2（a）為不引正壓時(shí)密封結(jié)構(gòu)截面壓力分布云圖（P1=0Pa、P3=-1500Pa、N=1500r/min），（b）為引正壓時(shí)的密封結(jié)構(gòu)截面壓力分布云圖（P1=0Pa、P2=100Pa、P3=-1500Pa、n=4、N=1500r/min）。

由圖2可得：正壓的引入可以顯著地改變內(nèi)部流體的壓力分布，而且引正壓后左端實(shí)測(cè)腔室的壓力絕對(duì)值也會(huì)明顯地減小。因此，正壓的引入對(duì)密封出口壓力起到保壓作用。

如圖3（a）為不引正壓時(shí)密封結(jié)構(gòu)截面的速度矢量場(chǎng)分布（P1=0Pa、P3=-1500Pa、N=1500r/min），b為引正壓時(shí)密封結(jié)構(gòu)截面的速度矢量場(chǎng)的分布（P1=0Pa、P2=100Pa、P3=-1500Pa、n=4、N=1500r/min）。

圖3　密封結(jié)構(gòu)截面速度矢量分布云圖

從圖3可以看出，密封間隙對(duì)氣流起到節(jié)流效應(yīng)。無(wú)正壓時(shí)，當(dāng)氣流迚入腔室時(shí)，氣流速度加快，發(fā)生射流噴射，氣流在密封齒間腔室中形成漩渦，能量發(fā)生耗散，壓力變??；引入正壓后，密封左端腔室氣流基本不發(fā)生流動(dòng)，密封齒腔室中無(wú)漩渦形成，基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，負(fù)壓氣流幾乎被完全阻擋。

表3給出了有無(wú)正壓時(shí)從密封結(jié)構(gòu)左端迚口泄漏的流量 Q1，此時(shí) P1=0Pa、P2=300Pa、P3=-1500Pa、N=1500r/min、n=4（引正壓時(shí)）。

由表3可得：引正壓可以顯著地降低從左端泄漏的量。從量上來(lái)說(shuō)，當(dāng)無(wú)正壓時(shí)，泄露量為58.18L/min；當(dāng)無(wú)正壓時(shí)，泄露量為-4.38L/min，相比較無(wú)正壓而言泄露量減了107.5%，此時(shí)處于無(wú)泄露密封狀態(tài)。

表3　有無(wú)正壓時(shí)迷宮密封泄露量

因此，引正壓可顯著改善迷宮密封的密封性能。

1.4.2不同引入正壓值與不同外部負(fù)壓對(duì)比分析

對(duì)電機(jī)軸承密封而言，完全無(wú)泄露無(wú)疑是最理性的密封狀態(tài)，要想獲得它，需要迚行匹配設(shè)計(jì)計(jì)算。

（1）改變引入正壓值P2

如圖 4所示為正壓孔數(shù) n=4、轉(zhuǎn)速 N=1500r/min時(shí)左端的泄漏量Q1與右端負(fù)壓值P3、正壓值P2的關(guān)系。

圖4　左端進(jìn)口泄漏量-右端負(fù)壓-正壓的關(guān)系

由圖 4可知：正壓孔數(shù) n=4、轉(zhuǎn)速 N=1500r/min時(shí)，隨著右端負(fù)壓絕對(duì)值增大，由左端泄漏的流量也越多，密封效果也越差；隨著引入正壓的值增大，由左端泄漏量明顯減小，而且當(dāng)正壓P2=200Pa時(shí)，處于完全無(wú)泄漏狀態(tài)。

因此外部負(fù)壓絕對(duì)值越小且引入正壓P2越大，密封效果越好。

表4給出了正壓值P2為100Pa與 300Pa、轉(zhuǎn)速N=1500r/min、正壓孔數(shù) n=4且右端在不同負(fù)壓（-300Pa～-1500Pa）下從左端泄漏量的對(duì)比情況。

表4　右端負(fù)壓P3與正壓值P2匹配下的泄露量對(duì)比

由表4可得：右端負(fù)壓值較小且正壓值較大時(shí)可顯著增強(qiáng)電機(jī)軸承的密封效果。

（2）改變正壓孔數(shù)n

如圖 5所示為外部引入正壓值 P2=300Pa、轉(zhuǎn)速N=1500r/min時(shí)左端的泄漏量Q1與負(fù)壓值P3、正壓孔數(shù)n的關(guān)系。

圖5　左端進(jìn)口泄漏量-右端負(fù)壓-正壓孔數(shù)的關(guān)系

由圖5可知：外部引入正壓值 P2=300Pa、轉(zhuǎn)速N=1500r/min時(shí)，隨著右端負(fù)壓絕對(duì)值增大，由左端泄漏的流量也越多，密封效果也越差；隨著引入正壓孔數(shù)的增多，由左端泄漏量明顯減小，而且當(dāng)正壓孔數(shù)n=4時(shí)，處于完全無(wú)泄漏狀態(tài)。

因此外部負(fù)壓絕對(duì)值越小且引入正壓孔數(shù)n越多，密封效果越好。

表5給出了正壓孔數(shù)n為0與4、轉(zhuǎn)速N=1500r/min、引入正壓 P2=300Pa且右端在不同負(fù)壓（-300Pa～-1500Pa）下從左端泄漏量的對(duì)比情況。

表5　右端負(fù)壓P3與正壓孔數(shù)n匹配下的泄露量對(duì)比

由表5可得：右端負(fù)壓值較小且正壓孔數(shù)較多時(shí)可顯著增強(qiáng)電機(jī)軸承的密封效果。

2　試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)過(guò)程

為了得到更準(zhǔn)確的迷宮密封引入正壓的抗負(fù)壓性能，在此搭建了軸承密封性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。大型電機(jī)滑動(dòng)軸承端面負(fù)壓大小一般為-2Pa至-1500Pa，此試驗(yàn)臺(tái)采用離心風(fēng)扇抽風(fēng)來(lái)模擬右端負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓大小通過(guò)負(fù)壓罩迚口閥調(diào)節(jié)。試驗(yàn)可模擬負(fù)壓區(qū)間為-300pa 至-1100Pa，基本符合實(shí)際工況。該試驗(yàn)臺(tái)包括主電機(jī)、試驗(yàn)臺(tái)安裝臺(tái)架、試驗(yàn)臺(tái)兩支撐軸承、外部軸承供油系統(tǒng)、抽負(fù)壓裝置、被檢測(cè)迷宮密封、檢測(cè)接頭以及通氣軟管、檢測(cè)儀等，具體如圖6所示。

圖6　軸承密封性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

圖7　試驗(yàn)過(guò)程圖

圖7為密封試驗(yàn)過(guò)程圖，圖中可清晰地看到壓力檢測(cè)儀器，壓力檢測(cè)布局方案。圖中被試迷宮密封已安裝在軸承端面，負(fù)壓罩腔室中已抽成穩(wěn)定負(fù)壓，通過(guò)空氣接頭、軟管將密封腔室測(cè)量壓力引出，同樣利用軟管從外端引入不同正壓，密封出口處通過(guò)管道接通大氣，完全與仿真模擬工況相同。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。

2.2試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

如圖8所示為試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比。正壓孔數(shù)n=4，正壓值P2=300Pa，在不同右端負(fù)壓（-300Pa～-1500Pa）下測(cè)量左端大腔室壓力P0。

由圖8可得：仿真值與試驗(yàn)值最大誤差為17.2%，最小為8.7% 。因此可知仿真與實(shí)驗(yàn)值具有很好的一致性。

3　結(jié)論

本文對(duì)直通迷宮密封引正壓迚行了數(shù)值與試驗(yàn)研究，得出：

（1）引正壓迷宮密封設(shè)計(jì)能顯著地提高大型電機(jī)端面軸承密封的抗負(fù)壓性能；

（2）正壓孔數(shù)n越多、正壓值P2越大且右端負(fù)壓值P3越小，那么密封效果越好，而且當(dāng)引入正壓值P2、正壓孔數(shù)n、右端出口負(fù)壓P3匹配較好時(shí)可做到絕對(duì)密封；

圖8　測(cè)量腔室壓力試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

（3）CFD仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，這驗(yàn)證了仿真模型的正確性，為后續(xù)電機(jī)軸承密封設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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雍興平（1976-），2005年10月畢業(yè)于英國(guó)伯明翰大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，博士學(xué)位，現(xiàn)任沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司核電泵業(yè)有限公司副總工程師，主要從事核電材料開(kāi)發(fā)、泵用軸承及密封的研究工作，高級(jí)工程師。

審稿人：吳軍令

Simulation and Experimental Research of Motor Bearing Labyrinth Seal Exerting Positive Pressure

YONG Xingping， FU Wei， QU Tingting， BO Hai， LIN Bin
（Shenyang Blower Works Group Corporation， Shenyang 110869， China）

Sealing is essential for motor bearings， as motor will not be able to running safely if the leakage occurs. In order to solve the problem of large motor bearing sealing structure leak oil under the condition of negative pressure， a method of exerting positive pressure was applied to enhance the sealing effect performance. CFD simulation and experimental study is comparatively analyzed. The results show that positive pressure can significantly improve the sealing performance of sealing structure and the more positive pressure holes are and the stronger positive pressure is， the better the sealing performance is. CFD simulation has a good consistency with the experimental measured data， moreover， it will provide reference for designing the motor bearing sealing structure.

motor bearing labyrinth seal； positive pressure； CFD； experiment research

TM303

A

1000-3983（2016）04-0025-04

2015-12-10