T形槽氣膜密封槽底粗糙度有序造型的擾流效應(yīng)*

晨屹

(1.淮海工學(xué)院機械與海洋工程學(xué)院 江蘇連云港 222005；2.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院江蘇連云港 222005；3.南京天一航空科技有限公司 江蘇南京 210012)

干氣密封的低磨損、長壽命特點使其應(yīng)用范圍日趨廣泛[1]，但受加工水平的制約，干氣密封槽底面精度一般只能達到0.8 μm，與正常運轉(zhuǎn)時密封副間膜厚僅差1個數(shù)量級，在啟動或停車階段甚至為同一數(shù)量級，因此干氣密封的研究必須考慮表面粗糙度的影響[2-3]。1978年，PATIR和CHENG[4]提出“平均流動模型”的概念，通過引入流量因子表征粗糙度建立了PATIR-CHENG模型，為研究表面粗糙度的潤滑效應(yīng)提供了重要手段。此后ELROD[5]、TRIPP[6]、TONDER[7]、HU和ZHENG[8]、MAKINO等[9]對PATIR-CHENG模型進行了持續(xù)研究和完善。

國內(nèi)相關(guān)研究團隊也做了較多開創(chuàng)性工作。彭旭東教授團隊的研究結(jié)果表明：端面不同區(qū)域的表面粗糙度對密封性能影響規(guī)律差異較大，且轉(zhuǎn)速的影響不可忽視[10]；一定工況條件下，粗糙表面密封開啟力、氣膜剛度和摩擦扭矩均大于同條件下的光滑表面[11]。近期，該團隊還研究闡述了滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生與氣體分子平均自由程、粗糙度的關(guān)系[12]。宋鵬云教授團隊[13-15]近年的研究表明：當(dāng)膜厚與粗糙度均方根的比值大于3～4時，可基本忽略表面粗糙度對密封性能的影響；較大粗糙度可以提升開啟力和氣膜剛度，但泄漏率也會顯著加大。

2016年，SLAWOMIR和ANDRIY[16]研究了干氣密封微槽道、微孔隙及表面紋理的改變對密封介質(zhì)層動態(tài)屬性的影響，指出合理的設(shè)計和表面形貌有助于提高干氣密封穩(wěn)定性。

綜上，干氣密封表面微造型的合理重構(gòu)對密封性能具有直接影響。但通過該領(lǐng)域國內(nèi)外文獻及專利情況檢索，目前國內(nèi)外研究人員尚未涉及干氣密封槽底界面有序設(shè)計下的擾流效應(yīng)研究，這是干氣密封穩(wěn)定性研究中亟需解決的問題。

1 激光加工模型的建立

現(xiàn)有加工水平下干氣密封動環(huán)非開槽區(qū)及靜環(huán)表面的粗糙度一般為0.1 μm[10]，槽底區(qū)域的粗糙度一般為Ra0.8 μm[17]。假設(shè)模型非開槽區(qū)及靜環(huán)區(qū)為光滑表面，槽底粗糙度表面為各向同性，示意圖如圖1所示。

圖1 槽底粗糙面三維輪廓圖

相關(guān)文獻[18-19]研究表明，表面粗糙度紋理方向?qū)Ρ砻婺Σ翆W(xué)性能和密封性能有重要影響。采用激光加工技術(shù)根據(jù)掃描路徑可實現(xiàn)一定的紋理結(jié)構(gòu)，假設(shè)掃描路徑依據(jù)流體泵入方向呈一定有序，則雕刻后的槽型槽底粗糙度將整體呈有序性造型，如圖2所示。

圖2 有序微造型示意圖

激光雕刻過程中，影響槽底加工精度(深度和平面度)的參量主要有焦距、步長、功率及頻率。為保證精度，在焦距調(diào)整完成后，一般初始雕刻采用高功率、大步長、低頻率進行高效雕刻，而在開槽結(jié)束階段，為保證較好的底面粗糙度，采用降低功率、減小步長、提高頻率進行精細(xì)雕刻。這種加工方法雖然可以在一定程度上確保精度，但效率低、成本高，具體加工方法如圖3所示。而對于具有微造型的干氣密封，由于槽底槽型本身微造型的存在，可免去開槽最后階段進行的精細(xì)雕刻過程，采用固定雕刻參數(shù)即可，如圖4所示。

圖3 無微造型干氣密封開槽基本步驟

圖4 具微造型開槽基本步驟

本文作者以具有微造型的T形槽干氣密封(簡記MT-DGS)為例，通過對干氣密封槽底粗糙度進行有序重構(gòu)及系統(tǒng)研究，探索粗糙度有序造型對密封性能的影響機制。

2 模型設(shè)計

2.1 流態(tài)計算說明

目前，對干氣密封微尺度流場流態(tài)屬于層流或湍流仍存在爭論。部分學(xué)者的研究表明[20-21]，當(dāng)入口壓力pin=0.4～0.5 MPa、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min左右時，實際流態(tài)選擇為層流與實際更為符合；而部分學(xué)者[22-23]在壓力較高(pin=4.585 2 MPa)、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min左右時，則選用湍流形式進行求解計算。但整體而言，流態(tài)選擇的不同對計算結(jié)果具體的數(shù)值影響較大，但不會改變相關(guān)參數(shù)影響的規(guī)律性。鑒于文中壓力和速度取值較大，所以將干氣密封副間流體流態(tài)視為湍流流動。

2.2 基本假設(shè)

(1)密封副間氣體為連續(xù)介質(zhì)流動；

(2)密封副間流體屬于牛頓湍流流體[20]；

(3)流場內(nèi)潤滑層溫度、黏度相等；

(4)氣體分子與密封表面牢固吸附，無相對滑移；

(5)忽略密封環(huán)變形對氣體流動的影響；

(6)忽略氣體的慣性力和體積力；

(7)密封副在運行過程中始終保持平行，除T形槽底面之外，其他表面均為光滑表面。

2.3 幾何模型

圖5所示為開槽幾何模型和采樣計算區(qū)域。若槽數(shù)為Ng，則可選擇整個密封端面的1/Ng份(圖中區(qū)域ABCD)作為計算區(qū)域。

圖5 開槽端面幾何結(jié)構(gòu)示意圖

如圖6所示，依據(jù)流體泵入方向及流體力學(xué)原理，擬定槽型的流線型微造型結(jié)構(gòu)。有序造型位于槽底且沿槽形均勻分布，忽略密封環(huán)曲率的影響，將粗糙度有序造型簡化為矩形微造型?？紤]粗糙度的復(fù)雜性，通過改變微造型的寬度、間距和深度近似表征不同粗糙度(圖中粗糙度為放大表示)。

圖6 有序造型示意圖

2.4 計算模型

根據(jù)假設(shè)條件和幾何模型，選用YAKHOT和ORZAG提出的RNGk-?湍流模型，表達式[21]如下

(1)

(2)

2.5 邊界條件

密封槽入口ro處為介質(zhì)高壓側(cè)，用pout表示，為外界壓力(變量)；出口ri處為環(huán)境低壓側(cè)，用pin表示，為恒定大氣壓?？刂品匠淘谟嬎銋^(qū)域內(nèi)滿足周期性邊界條件[25]：

對稱邊界Γ1和Γ2處壓力相等：p|Γ1=p|Γ2，即p(θ+2π/Ng)=p(θ)。根據(jù)質(zhì)量流量守恒，流過對稱邊界Γ1和Γ2處的質(zhì)量流量也分別相等：q|Γ1=q|Γ2。

3 仿真計算

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

鑒于微造型模型的復(fù)雜性，其徑向與厚度方向尺寸差距達4個數(shù)量級。在建模時將厚度方向放大1 000倍后導(dǎo)入Gambit中進行網(wǎng)格劃分，如圖7所示；采用逐層拉伸的形式將面網(wǎng)格拉伸成體網(wǎng)格，依次是非槽區(qū)、槽區(qū)和微造型部分，可精確保證網(wǎng)格的一致性且避免了Interface的設(shè)置；3個部分的網(wǎng)格層數(shù)通過Interval count分別定義為6、6、4；最后導(dǎo)入Fluent中，通過scale設(shè)置可實現(xiàn)模型厚度還原。

圖7 網(wǎng)格劃分

3.2 邊界設(shè)置

如圖8所示，周期邊界為2組，出口邊界1個，進口邊界為2(非槽區(qū)氣膜及槽區(qū)進口)+n(微造型數(shù)量)個，氣膜底面為Static wall，其余面為Rotational wall。

圖8 邊界條件設(shè)置

3.3 求解設(shè)置

仿真計算選擇三維雙精度求解器，密封介質(zhì)為空氣，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法。擴散項的離散格式采用中心差分格式，對流項的離散格式采用二階迎風(fēng)格式，以提高計算結(jié)果的精度。模型采用的迭代精度設(shè)為10-5。

4 參數(shù)選擇

4.1 驗證性實驗

為驗證方法的正確性，選擇文獻[26]中的參數(shù)進行計算。選擇端面開啟力Fo和泄漏率Q為參量。

表1 驗證性參數(shù)

4.2 分析性實驗

為研究槽底有序造型設(shè)計對密封擾流性能的影響，槽型幾何參數(shù)及微造型參數(shù)列于表2和表3。

表2 分析性參數(shù)

表3 微造型參數(shù)

5 計算結(jié)果與分析

5.1 驗證性分析

圖9所示為依據(jù)表1參數(shù)得出的膜厚為2.03 μm時的壓力分布圖?？梢钥闯觯篢形槽一側(cè)形成高壓區(qū)，另一側(cè)為低壓區(qū)。槽型的對稱性使得當(dāng)轉(zhuǎn)速方向變化時，高壓側(cè)和低壓側(cè)具有轉(zhuǎn)換性，密封實際動壓效應(yīng)不變，這是非對稱槽型不具備的可雙向旋轉(zhuǎn)特性。

圖9 T-DGS壓力分布云圖 (δ=2.03 μm)

圖10、11分別示出了采用文中計算方法得到的開啟力和泄漏率與文獻值[24]的比較?？梢钥闯觯涸谳^大膜厚時文中計算結(jié)果與文獻值很接近，且變化趨勢和規(guī)律性也與文獻符合較好，驗證了該方法及參數(shù)設(shè)置的正確性。

圖10 開啟力對比

圖11 泄漏率對比

5.2 具微造型性能分析

圖12示出了MT-DGS與T-DGS性能對比?？芍呶⒃煨透蓺饷芊釳T-DGS與T-DGS規(guī)律變化趨勢一致，在小膜厚時MT-DGS的開啟力略高。鑒于膜厚的變化區(qū)間較小，無法充分反映性能參數(shù)的變化規(guī)律和具體區(qū)別，選擇小膜厚時(δ=1 μm)及其他微尺度工況進行進一步性能分析。

圖12 MT-DGS與T-DGS性能對比

5.3 微尺度下的性能分析

圖13示出了微尺度下T形槽干氣密封開啟力分析結(jié)果。

圖13 微尺度下T形槽干氣密封開啟力分析

從圖13中可以看出，微尺度下MT-DGS較無微造型T-DGS具有良好的增壓減漏效果。幾何參數(shù)和工況參數(shù)的變化對MT-DGS和T-DGS都有一定的影響，具體為：開啟力隨轉(zhuǎn)速和壓力的升高而增大，隨膜厚的增大而減?。恍孤┞孰S轉(zhuǎn)速、壓力和膜厚的升高都呈增大趨勢，MT-DGS較T-DGS的增壓減漏效果隨轉(zhuǎn)速、壓力、槽深、膜厚的增大愈加明顯；存在一定的槽深(圖示為5～7 μm)使得具MT-DGS的泄漏率不大且兼具良好的開啟性能。值得關(guān)注的是，如圖13(a)所示，微造型結(jié)構(gòu)在高轉(zhuǎn)速下具有一定的抑制泄漏率作用，可能的原因是槽底微造型的存在形成的擾流作用具有抑漏效果，關(guān)于這一點下文將繼續(xù)探討和研究。

6 微造型擾流效應(yīng)分析

文中所述擾流指工況條件變化時槽底產(chǎn)生的流動流體的相互干擾，即文獻[27]中研究結(jié)果表述的動壓疊加效應(yīng)。對于干氣密封，理想的流體流動形式(層流或湍流)都是有助于形成密封副間的開啟力，出現(xiàn)動壓效應(yīng)疊加時(擾流)可能產(chǎn)生流體回流、空化等降低密封開啟性能的因素，所以應(yīng)對其進行深入研究。

圖14所示為MT-DGS與T-DGS在不同槽深和膜厚下隨轉(zhuǎn)速變化時的開啟力對比結(jié)果。可知：槽深和膜厚的變化對二者的開啟力都有較大影響；在槽深hg=1 μm時MT-DGS與T-DGS的開啟力受擾流效應(yīng)影響較大，都隨轉(zhuǎn)速升高開啟力逐漸減??；在槽深hg=3 μm時二者的開啟力隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢；在槽深hg≥4 μm時T-DGS的開啟力隨轉(zhuǎn)速升高而增大，MT-DGS的開啟力則呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。

圖14 不同槽深時T形槽干氣密封開啟力變化(pout=2 MPa)

微造型結(jié)構(gòu)在槽深hg≥3 μm時擾流效應(yīng)在一定轉(zhuǎn)速下是有益于密封開啟性能的，隨著轉(zhuǎn)速的增大，擾流效應(yīng)逐漸起到主導(dǎo)作用，降低了微造型結(jié)構(gòu)的開啟力，開啟力下降拐點隨槽深增大逐漸由20 000 r/min升高至30 000 r/min；槽深hg=1 μm時，微造型結(jié)構(gòu)由于受擾流效應(yīng)影響，開啟性能較差；膜厚越小，微造型的開啟力提升效果越明顯，一定膜厚(δ≤2 μm)及槽深范圍內(nèi)(hg≥3 μm)，MT-DGS的開啟性能優(yōu)于T-DGS；分析圖14(a)、(b)所示的開啟力的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，MT-DGS隨轉(zhuǎn)速升高開啟力的變化幅度更大，說明微造型結(jié)構(gòu)對速度變化更加敏感。

圖15所示為不同槽深和膜厚時MT-DGS和T-DGS泄漏率的對比結(jié)果?？芍篗T-DGS和T-DGS的泄漏率變化趨勢一致，隨膜厚的增大泄漏率呈增大趨勢。較大膜厚時，泄漏率隨轉(zhuǎn)速的增大而減小的可能原因是擾流效應(yīng)下氣體的回流效果造成的。在膜厚逐漸增大時，微造型結(jié)構(gòu)干氣密封的減漏效果愈加明顯，同樣說明具有微造型的T形槽受擾流影響的程度大于無微造型T形槽結(jié)構(gòu)。

圖15 不同槽深時T形槽干氣密封泄漏率變化(pout=2 MPa)

從圖15還可以看出，隨著槽深的增加，開啟力出現(xiàn)小幅度增大，且擾流效果在大槽深、高轉(zhuǎn)速時更加明顯。

7 結(jié)論

(1)粗糙度對干氣密封性能的影響可通過有序造型的方式進行定向調(diào)整，不僅實現(xiàn)了密封性能的提升，而且可以簡化加工、提升效率和降低成本。

(2)槽底粗糙度有序微造型的設(shè)計在高壓、高速、小膜厚和微槽深時較無微造型T形槽具有更優(yōu)異的密封性能，對于進一步提升此類槽型的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

(3)槽底具微造型設(shè)計的T形槽干氣密封在速度超過一定范圍(30 000 r/min)時擾流效應(yīng)影響會較大幅度降低開啟性能，實際使用應(yīng)避免這一速度區(qū)間。