流體動壓密封設(shè)計

張 峰，李建克，寧建華，宋 勇，王 良

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

流體動壓密封設(shè)計

張 峰，李建克，寧建華，宋 勇，王 良

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

基于有限元Matlab軟件平臺對流體動壓密封進行了計算機數(shù)值仿真分析與計算，研究了流體動壓密封動環(huán)對數(shù)螺旋槽半徑和螺旋角與流體動壓密封開啟力和泄漏量之間的關(guān)系，得出了流體動壓密封設(shè)計準則；通過激光打標工藝試驗得出了激光打標刻蝕對數(shù)螺旋槽的工藝規(guī)范，采用該工藝規(guī)范加工出的對數(shù)螺旋槽動環(huán)滿足設(shè)計要求。流體動壓密封介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗結(jié)果表明：流體動壓密封有限元Matlab計算機數(shù)值仿真分析與計算是合理的，流體動壓密封設(shè)計和工藝規(guī)范是正確和有效的。

流體動壓密封；螺旋槽；激光打標

0 引言

流體動壓密封是在機械密封動環(huán)端面上通過開螺旋槽、臺階、斜面等幾何結(jié)構(gòu)利用流體動壓或逆流泵送效應(yīng)在密封端面形成具有一定厚度和剛度的液膜，該液膜在密封壩附近達到動壓平衡以實現(xiàn)密封的一種脫開式機械密封。該密封工作過程中密封端面之間一直存在厚度為幾微米的液膜，該液膜產(chǎn)生的動壓平衡閉合力即可起潤滑作用，又可減小密封端面之間的摩擦損耗。此時，密封端面之間僅存在流體間的內(nèi)摩擦，由此可極大提高機械密封的使用壽命，它是機械密封技術(shù)發(fā)展歷史上的一次革命性的創(chuàng)新和應(yīng)用。美國約翰克蘭(John Crane)、德國伯格曼(Burgman)和日本皮拉等公司是動壓密封技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的領(lǐng)跑者和領(lǐng)導(dǎo)者。動壓密封技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空客A380、壓縮機、泵、反應(yīng)釜、核電站等航空、航天、石油、化工、能源、旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備等工程領(lǐng)域。流體動壓密封不受PV值的限制，密封設(shè)計和材料選擇范圍較寬，可實現(xiàn)零逸出、微泄漏，可用于重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機渦輪泵的機械密封之中。本文基于流體動壓密封理論和計算機數(shù)值仿真模擬與分析，研究了流體動壓密封設(shè)計規(guī)范，通過使用設(shè)計規(guī)范，設(shè)計和制造流體動壓密封，進而研究流體動壓密封的性能與應(yīng)用等情況。

1 流體動壓密封設(shè)計要求

液體火箭發(fā)動機渦輪泵用流體動壓密封的設(shè)計要求見表1，渦輪泵用流體動壓密封結(jié)構(gòu)原理簡圖見圖1。

表1 渦輪泵用流體動壓密封的設(shè)計要求

2 流體動壓密封理論與計算

根據(jù)流體力學(xué)理論，流體動壓密封穩(wěn)態(tài)流體膜壓力分布滿足穩(wěn)態(tài)雷諾方程(1)。

(1)

對公式(1)進行求解，可得出流體動壓密封開啟力和密封泄漏量計算公式公式(2)和公式(3)。

(2)

(3)

式中：P=p/pa；R=r/ri；H=h/ho；h為液膜厚度，mm；h0為槽深，mm；Ng為螺旋槽數(shù)量。

3 流體動壓密封仿真分析

使用有限元Matlab商用軟件對流體動壓密封進行計算機數(shù)值仿真分析與計算，研究流體動壓密封動環(huán)對數(shù)螺旋槽半徑和螺旋角與流體動壓密封開啟力和泄漏量之間的關(guān)系，以得出流體動壓密封的設(shè)計準則。表2是流體動壓密封動環(huán)尺寸、工況和物性參數(shù)，動環(huán)材料為熱導(dǎo)率為17.3 W/(m·K)的9Cr18。

表2流體動壓密封動環(huán)尺寸、工況和物性參數(shù)

Tab.2Dimensions，operatingconditionsandphysicalparametersofmovingringforfluiddynamicpressureseal

動環(huán)尺寸工況物性參數(shù)內(nèi)徑/mm34外壓/MPa0.3煤油溫度/K300外徑/mm43.5內(nèi)壓/MPa0.1液膜膜厚/μm5煤油粘度/(kg·m/s)2.12×10-5

基本假設(shè)為：密封端面間的液膜為二維穩(wěn)態(tài)流場，密封端面為剛性端面，密封環(huán)材料的彈性模量較高、軸向剛度較大，可忽略密封環(huán)變形對流體流動的影響；密封端面間的液膜為層流運動，符合牛頓粘性定律，屬于牛頓流體；密封穩(wěn)態(tài)工作時端面間液膜產(chǎn)生的熱量較小，溫度變化可忽略，流體粘度相對于溫度和壓力的變化較小，可認為流場內(nèi)溫度、粘度值均相等；密封端面間的流體流動屬于完全流體流動，不需要進行流體熱動力學(xué)分析；液膜厚度較小，在膜厚方向流體的壓力和密度為常量；密封裝置的同軸性好，可忽略密封工作過程中系統(tǒng)擾動和振動對液膜流場的影響；流體分子與密封面吸附牢固，無相對滑移；流體慣性力可忽略；密封端面光滑，表面粗糙度為0.1 μm，可忽略密封端面粗糙度對流體流動的影響。流體動壓密封動環(huán)端面對數(shù)螺旋槽呈周期性分布，僅需研究一個循環(huán)周期的二維單葉對數(shù)螺旋槽結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)模型見圖2中的陰影區(qū)域(即ABCD區(qū)域)，邊界條件為式(4)和式(5)。

流體動壓密封動環(huán)端面內(nèi)外徑(AD和BC)處

p=pi(R=r/ri=1)p=po(p=ro/ri)

(4)

式中：pi為密封動環(huán)端面外徑處的壓力，MPa；po為密封動環(huán)端面內(nèi)徑處的壓力，MPa；pa為密封端面動環(huán)出口處的壓力，MPa。

圓周方向(AB和DC)處

(5)

采用有限元Matable軟件平臺自編程進行仿真模擬分析與計算，應(yīng)用四結(jié)點四邊形單元對數(shù)學(xué)模型ABCD區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，對數(shù)螺旋槽邊界處液膜厚度會發(fā)生突變，為此槽區(qū)輪廓線設(shè)在網(wǎng)格邊線上，槽區(qū)輪廓角點E，F(xiàn)，G設(shè)在網(wǎng)格結(jié)點上，按順時針方向由內(nèi)向外給每個結(jié)點進行編號，并按相同的順序?qū)γ總€單元進行編號。數(shù)學(xué)模型ABCD區(qū)域劃分為220個網(wǎng)格，式(4)和式(5)為模型邊界條件控制方程，在四邊形單元內(nèi)對式(1)進行積分，以求得流體動壓密封端面穩(wěn)態(tài)液膜壓力分布，根據(jù)式(2)和式(3)求解流體動壓密封的開啟力和泄漏量。流體動壓密封計算機數(shù)值仿真模擬分析與計算結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3可知，隨著螺旋槽半徑的增大開啟力先增大后減小，泄漏量隨著螺旋槽半徑的增大而逐漸減小，計算機仿真模擬分析還表明：螺旋槽半徑與流體動壓密封之間的流體膜剛度呈反比、與密封摩擦扭矩呈正比。隨著螺旋槽半徑的增大流體膜剛度將會逐漸越小，密封動壓效應(yīng)亦隨之降低，密封摩擦扭矩將會逐漸增大，密封端面摩擦熱亦會上升。當螺旋槽半徑r1=37 mm時，流體膜產(chǎn)生的開啟力與密封閉合力相平衡，即F開=F閉=641 N(流體動壓密封閉合力由12個圓柱螺旋彈簧提供，螺旋槽槽深h0=5 μm)，此時，流體動壓密封處于流體潤滑狀態(tài)，密封端面脫開，密封泄漏量Q=2.24 ml/s，屬于微泄漏。由圖4可知，隨著螺旋角角度的增大，開啟力和泄漏量將會迅速增大，而螺旋角角度對流體動壓密封之間的流體膜剛度和密封摩擦扭矩的影響較小，可以忽略不計。當螺旋角角度α=11°時，流體動壓密封處于流體潤滑狀態(tài)，密封泄漏量Q=0.9 ml/s，屬于微泄漏。計算機仿真模擬分析表明：流體動壓密封動環(huán)螺旋槽最優(yōu)數(shù)量Ng=12。當Ng<12時，流體動壓效應(yīng)較小；當Ng>12時，流體動壓效應(yīng)不會明顯提高，反而會增大螺旋槽動環(huán)制造成本。

4 流體動壓密封設(shè)計準則

渦輪泵用流體動壓密封為彈簧式機械密封，密封動環(huán)端面刻有對數(shù)螺旋槽，利用流體動壓效應(yīng)在動、靜環(huán)磨擦副之間形成具有一定剛度的流體膜并將兩端面分離脫開而成為非接觸式流體動壓彈簧式機械密封，具有一定剛度的流體膜可改善密封潤滑狀態(tài)，減小磨擦副之間的摩擦損耗，降低密封工作溫度。此時，密封端面之間的摩擦僅有流體的內(nèi)摩擦，可極大地延長機械密封的使用壽命，實現(xiàn)液體火箭發(fā)動機重復(fù)使用之目的。渦輪泵用流體動壓彈簧式機械密封結(jié)構(gòu)布局見圖1，主要由提供預(yù)緊力的彈簧、O形圈、靜環(huán)、動環(huán)等組成；密封摩擦副的摩擦磨損性能直接影響著機械密封的工作性能。碳石墨是機械密封摩擦副軟面材料中用量最大、使用范圍最廣的基本材料。碳石墨材料具有獨特的自潤滑性和良好的導(dǎo)熱性，耐腐蝕性好，摩擦系數(shù)小，線膨脹系數(shù)低，機械密封用碳石墨材料種類和性能參數(shù)見表3。基于碳石墨作為軟面摩擦副的常用配對摩擦副材料有：石墨—馬氏體不銹鋼，石墨—鍍鉻不銹鋼，填充玻璃纖維氟塑料—表面化學(xué)氣相沉積氧化鋁陶瓷不銹鋼，石墨—表面噴涂碳化鎢硬質(zhì)合金等，機械密封選用摩擦副材料時，必須遵循磨擦副工作參數(shù)不能超過材料極限工作值，否則會造成密封端面熱裂、介質(zhì)泄漏、密封失效等問題，根據(jù)液體火箭發(fā)動機渦輪泵用流體動壓彈簧式機械密封工作介質(zhì)和工況，選擇浸漬金屬碳石墨—9Cr18動環(huán)配對為密封摩擦副。

靜環(huán)內(nèi)徑D0

D0=D+(1～3)mm

(6)

式中D為軸徑，mm。

靜環(huán)外徑D2

D2=D0+2bf

(7)

式中bf為密封面寬度平衡直徑，mm。

靜環(huán)平衡系數(shù)b

(8)

表3 機械密封用碳石墨材料種類和性能參數(shù)

螺旋槽為對數(shù)螺旋線，其表達式為：

r=r1eθtanα

(9)

螺旋槽半徑r1=37 mm，螺旋角α=11°，槽深h0=5 μm，螺旋槽數(shù)量Ng=12。

5 流體動壓密封制造工藝

圖5是流體動壓密封制造工藝流程框圖，密封靜環(huán)座材料為鋁2A14，密封動環(huán)材料為9Cr18，彈簧材料為3J21，密封靜環(huán)材料為浸漬金屬碳石墨。密封動環(huán)表面采用激光打標工藝技術(shù)刻有對數(shù)螺旋槽，螺旋槽刻蝕加工精度受電流、刻蝕速度、激光脈沖頻率等因素影響，通過工藝試驗得出了激光打標刻蝕對數(shù)螺旋槽的工藝規(guī)范。該工藝規(guī)范為：電流I=8 A，刻蝕速度v=300 mm/s，激光脈沖頻率f=2 kHz，采用該工藝規(guī)范加工出的對數(shù)螺旋槽動環(huán)滿足設(shè)計技術(shù)要求，即對數(shù)螺旋槽半徑r1=37 mm，槽深h0=5 μm，螺旋角α=11°，螺旋槽數(shù)量Ng=12。

6 流體動壓密封試驗

圖6是流體動壓密封介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗原理框圖。流體動壓密封安裝于圖6的密封試驗器內(nèi)，試驗介質(zhì)為航空煤油，試驗工況為：轉(zhuǎn)速v=17 000±500 r/min，密封壓差Δp=(0.2～0.25) MPa，共進行了4組密封介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗,每組試驗均為兩次啟動，每組試驗累計工作時間t=1 500 s，試驗過程中流體動壓密封工作穩(wěn)定，試驗結(jié)果見表4。

啟動次數(shù)工作時間/s平均功率/kW工作溫度/℃泄漏量/(ml·s-1)石墨環(huán)磨損量/mm215005.1535.1-38.96.50.01215005.2333.5-38.56.80.01215005.1934.9-38.75.90.01215005.1834.5-38.26.20.01

由表4可知，密封工作溫度較低，密封泄漏量屬于微泄漏，密封試驗結(jié)果滿足設(shè)計技術(shù)要求。

7 結(jié)論

基于有限元Matlab軟件平臺對流體動壓密封進行了計算機數(shù)值仿真分析與計算，研究了流體動壓密封動環(huán)對數(shù)螺旋槽半徑和螺旋角與流體動壓密封開啟力和泄漏量之間的關(guān)系，得出了流體動壓密封設(shè)計準則，即對數(shù)螺旋槽半徑r1=37 mm，槽深h0=5 μm，螺旋角α=11°，螺旋槽數(shù)量Ng=12；通過激光打標工藝試驗得出了激光打標刻蝕對數(shù)螺旋槽的工藝規(guī)范，該工藝規(guī)范為：電流I=8A，刻蝕速度v=300 mm/s，激光脈沖頻率f=2 kHz，采用該工藝規(guī)范加工出的對數(shù)螺旋槽動環(huán)滿足設(shè)計要求，流體動壓密封介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗結(jié)果表明：流體動壓密封有限元Matlab計算機數(shù)值仿真分析與計算是合理的，流體動壓密封設(shè)計和工藝規(guī)范是正確和有效的。

[1] 楊惠霞,王玉明.泵用干氣密封技術(shù)及應(yīng)用研究[J].流體機械,2005,33(2):1-4.

[2] 曹登峰,宋鵬云,李偉，等.螺旋槽氣體端面密封動力學(xué)研究進展[J].潤滑與密封, 2006(5): 178-182.

[3] 寧建華.光刻技術(shù)在流體動力密封研究中的應(yīng)用[J].火箭推進，2005, 31(4)：41-43.

NING Jianhua. Application of photoetching to liquid hydrodynamic seal[J]. Journal of rocket propulsion, 2005, 31(4): 41-43.

[4] MOORE J J. Three-dimensional CFD rotor dynamic analyses of gas labyrinth sealings [J]. Journal of vibration and acoustics, 2003, 125(4): 427-433.

[5] BLOCH H P. Consider dry gas sealings for centrifugal compressors [J]. Hydrocarbon processing, 2005, 84(1): 9-10.

[6] TABATA H, SANO M. Study of high efficiency turbo compressor development of high-speed and high pressure dry-gas-sealing [J]. IHI engineering review, 2005, 38(1): 1-5.

[7] 徐萬福,耿彬,谷霞,等.流體動力潤滑螺旋槽非接觸機械密封的發(fā)展及應(yīng)用[J].潤滑與密封, 2006(12): 203-207.

[8] ZOU M, GREEN I. Clearance control of a mechanical face sealing [J]. Teratology transactions, 1999, 42(3): 535-540.

[9] 周劍鋒.機械密封中的熱流體動力效應(yīng)研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué), 2006.

[10] 蔣小文, 顧伯勤. 螺旋槽干氣密封氣膜特性研究[J].化工學(xué)報, 2005, 56(8): 419-425.

Design of fluid dynamic pressure sealing

ZHANG Feng，LI Jianke，NING Jianhua，SONG Yong，WANG Liang

(Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China)

Based on the finite element Matlab software platform，the numerical simulation analysis and calculation of fluid dynamic pressure seal were carried out with computer，and the relationship of the fluid dynamic pressure sealing ring logarithmic spiral groove radius and spiral angle with the fluid dynamic pressure sealing opening force and leakage rate were studied. The design criterion of the hydrodynamic pressure seal was obtained.The process specification of laser marking etching logarithmic spiral groove was got in the laser marking process experiments.The logarithmic spiral groove moving ring made with this technology specification can meet the design requirements.The running test results of fluid dynamic pressure sealing medium show that the dynamic pressure sealing finite element numerical simulation analysis and calculation of Matlab computer are reasonable，and the design and process specification of the fluid dynamic pressure seal are correct and effective.

fluid dynamic pressure seal; spiral groove; laser marking

V434-34

A

1672-9374(2017)05-0052-06

2017-05-11；

2017-06-14

中國航天科技集團公司2017年錢學(xué)森青年創(chuàng)新基金

張峰(1986—)，男，碩士，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機密封設(shè)計

(編輯：陳紅霞)