超高速干氣密封擾流效應(yīng)及抑?jǐn)_機(jī)制

王衍，胡瓊，肖業(yè)祥，黃國慶，朱妍慧，葛云路

1. 江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械與海洋工程學(xué)院，連云港 222005

2. 清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

3. 清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084

干氣密封(Dry Gas Seal, DGS)的工作機(jī)理和特點(diǎn)決定了此類密封更適宜在高速工況下使用，高轉(zhuǎn)速使其具有更加優(yōu)良和穩(wěn)定的動壓性能[1-3]。2012年，干氣密封技術(shù)在美國能源部《2012年小型企業(yè)新技術(shù)開發(fā)與技術(shù)轉(zhuǎn)移指導(dǎo)書》中被列為美國“先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)封嚴(yán)與密封控制的戰(zhàn)略方案(Advanced Gas Turbine Sealing and Leakage Control Strategies)”，干氣密封產(chǎn)品在被用來替代PW2000型發(fā)動機(jī)原有的接觸式機(jī)械密封件后，在美國聯(lián)合航空公司試飛數(shù)千小時完美無損，遠(yuǎn)勝原件。目前，干氣密封技術(shù)作為先進(jìn)密封技術(shù)之一也被列舉在中國高新技術(shù)條目中。

干氣密封技術(shù)源于氣浮軸承的非接觸承載機(jī)理[4]，其實(shí)際應(yīng)用工況遠(yuǎn)沒有氣浮類軸承嚴(yán)苛，許多高工況時氣浮軸承面臨的微振動、擾流等情況在干氣密封中尚未被完全發(fā)現(xiàn)或考慮[5-6]。近年來，干氣密封技術(shù)伴隨超高速氣浮軸承逐漸嘗試應(yīng)用于(微型)燃?xì)廨啓C(jī)、高速陀螺儀及航空發(fā)動機(jī)等超高速設(shè)備中，超高速、微尺度工況下內(nèi)部氣體復(fù)雜流動引起的壓力擾動已成為束縛氣體潤滑性能提升的關(guān)鍵。針對這一現(xiàn)象，國外學(xué)者Aoyamae等[7]認(rèn)為是由于潤滑氣體的流動形態(tài)改變而導(dǎo)致的，Yoshimura等[8]的試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)一步表明，雷諾數(shù)增大時，潤滑流體壓力波動增大，擾動現(xiàn)象越顯著；國內(nèi)學(xué)者張鳴等[9]在研究進(jìn)一步提升精密氣浮平臺精度的過程中將擾流振動原因歸為湍流因素導(dǎo)致的氣體壓力波動，并指出改善流道設(shè)計參數(shù)可有效抑制非穩(wěn)定流動；相關(guān)最新研究[10-12]也表明，表面粗糙度和形貌的合理設(shè)計、重構(gòu)對改善表面性能至關(guān)重要，有助于進(jìn)一步提高密封的穩(wěn)定性。

基于此，本課題組通過深入開展重構(gòu)干氣密封槽底織構(gòu)造型以改善流體流動、降低擾流效應(yīng)的相關(guān)研究[13-14]，初步證實(shí)了有序織構(gòu)造型設(shè)計具有提升密封性能、穩(wěn)定流動的有益效果。本文結(jié)合近期的研究思路和基礎(chǔ)積累，在研究超高速干氣密封微尺度流場特性規(guī)律的基礎(chǔ)上，充分探討了導(dǎo)流織構(gòu)對超高速工況下密封性能的影響機(jī)制和規(guī)律。以期為有效提升超高速工況下干氣密封的運(yùn)行穩(wěn)定性提供理論依據(jù)和參考。

1 理論模型

1.1 模型假設(shè)

本研究模型做如下假設(shè)：

1) 密封介質(zhì)在界面無相對滑動。

2) 不考慮慣性力與離心力的作用效果。

3) 間隙氣膜為連續(xù)流體，為完整的流體膜潤滑。

4) 氣膜熱狀態(tài)等溫，忽略溫度和壓力等對黏度的影響。

5) 密封副在運(yùn)行過程中始終保持平行，除槽底面之外的其余表面理論光滑。

對于超高速工況，需要對假設(shè)2進(jìn)行評估，依據(jù)經(jīng)典文獻(xiàn)[15]，是否考慮慣性力和離心力影響的判斷公式為

(1)

式中：Re為雷諾數(shù)；ρ、U、μ分別為流體的密度、流速與黏性系數(shù)；l為特征長度；h為密封副間膜厚。當(dāng)Re與l/h可比擬或處于同一數(shù)量級時，必須考慮慣性力和離心力的影響，如果差距較大，即可忽略慣性力的影響。

對于干氣密封：將U類比為平均旋轉(zhuǎn)線速度v(計算方法見1.2節(jié))，其他參數(shù)選擇文獻(xiàn)[16-17]中經(jīng)典螺旋槽的幾何參數(shù)，如表1所示。操作參數(shù)值取表1中研究工況的上限值：密度ρ=1.29 kg/m3，黏度μ=1.86×10-5Pa·s，膜厚h=2 μm，轉(zhuǎn)速N=12×104r/min，l=ro=77.78 mm。代入式(1)求解得Re=118.64?l/h=38 890，兩者相差2個數(shù)量級，所以本文工況參數(shù)下的慣性力和離心力可以不考慮。

表1 數(shù)值仿真參數(shù)

1.2 超高速的定義

根據(jù)機(jī)械密封使用工況及參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)[18]：當(dāng)密封端面線速度v<25 m/s時為一般速度工況，25 m/s≤v≤100 m/s時為高速工況，v>100 m/s時為超高速工況。根據(jù)本文定義的密封幾何參數(shù)(見表1)，端面線速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(2)

求解后可得到與v=100 m/s對應(yīng)的轉(zhuǎn)速N=14 030 r/min，即可認(rèn)定在本文幾何參數(shù)下，N>14 030 r/min時即為超高速工況。

1.3 數(shù)值計算方法

采用商用CFD軟件Fluent進(jìn)行密封性能分析。目前，關(guān)于干氣密封微尺度流場流態(tài)的確定，部分學(xué)者得出[19-20]，當(dāng)入口壓力Pin=0.4～0.5 MPa、轉(zhuǎn)速N=10 000 r/min左右時，實(shí)際流態(tài)選擇為層流與實(shí)際更為符合；部分學(xué)者[21-22]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(jìn)行求解計算。本課題組通過計算研究發(fā)現(xiàn)，從整體而言，不同的流態(tài)雖然對計算結(jié)果具體數(shù)值影響較大，但不會改變相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。

鑒于文中壓力和速度取值較大，本文對干氣密封微尺度下的流態(tài)假設(shè)為湍流形式。依據(jù)干氣密封運(yùn)行工況及條件，選用RNG(Re-Normalization Group)k-ε湍流模型。氣膜流動控制方程通用形式為[23-24]

(3)

式中：u為速度矢量；φ為任意變量的標(biāo)量值；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)。

1.4 物理模型

選擇廣泛應(yīng)用的螺旋槽型干氣密封[25-26](Spiral-Dry Gas Seal, S-DGS)為研究對象，同時參考課題組目前研究的導(dǎo)流織構(gòu)設(shè)計方法[13]。流槽周向均勻分布于整個密封端面，導(dǎo)流織構(gòu)沿螺旋槽形狀均勻分布于螺旋槽底部，旋轉(zhuǎn)角速度ω方向?yàn)槟鏁r針(如圖1(a)所示)?？棙?gòu)參數(shù)定義如圖1(b)所示。因密封端面流槽成周期性分布，為提高計算效率，可選擇一個周期內(nèi)的具有織構(gòu)造型的螺旋槽(Texture Spiral-Dry Gas Seal, TS-DGS)區(qū)域?yàn)榻：陀嬎銋^(qū)域。采用面體網(wǎng)格逐次拉伸的方法生成網(wǎng)格模型[27]，如圖2(a)所示。邊界條件如圖2(b)所示，其中AB為內(nèi)徑側(cè)大氣壓出口邊界，CD為外徑側(cè)介質(zhì)壓力入口邊界，Γ1和Γ2為周期邊界，與靜環(huán)貼合的面為靜止壁面，與動環(huán)貼合的所有面(含槽區(qū))為旋轉(zhuǎn)壁面。

圖1 TS-DGS物理模型

圖2 計算模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

2 超高速下密封性能分析

2.1 計算方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計算方法的正確性，選擇文獻(xiàn)[16-17]中經(jīng)典螺旋槽的幾何參數(shù)為模型建立依據(jù)，密封介質(zhì)選擇理想氣體。分別進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析及性能參數(shù)驗(yàn)證性試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文方法及參數(shù)設(shè)置的正確性，具體見文獻(xiàn)[27]。

本文研究工況參數(shù)區(qū)間除了完全涵蓋文獻(xiàn)[16-17]中對應(yīng)區(qū)間以外，在壓力和轉(zhuǎn)速方面都有更大范圍的擴(kuò)展，根據(jù)文中的轉(zhuǎn)速取值，定義相鄰轉(zhuǎn)速間對應(yīng)開啟力的變化百分比η為

(4)

圖3所示為轉(zhuǎn)速范圍為10 000～100 000 r/min時3種膜厚的η值隨轉(zhuǎn)速增大的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增大，η始終為正值，但數(shù)值逐漸減??；當(dāng)膜厚h=5.08 μm，N≥70 000 r/min時，η≈0。這一現(xiàn)象說明，開啟力的大小隨轉(zhuǎn)速的升高持續(xù)增大，但增幅隨轉(zhuǎn)速升高呈逐漸降低的趨勢，換言之，一定工況下，開啟力隨轉(zhuǎn)速的升高將不再持續(xù)增大。由不同膜厚下的η值變化還可以看出，膜厚越小，η值波動越大，說明氣膜微尺度時的流動愈加復(fù)雜。

圖4和圖5為在相同工況和幾何參數(shù)下，有/無導(dǎo)流織構(gòu)的槽底壓力分布及槽底速度流場分布。圖4中，在Pin=3 MPa、h=4 μm、2E=2 μm、N=40 000 r/min時，無導(dǎo)流織構(gòu)的壓力云圖峰值小于有織構(gòu)造型的(3.066 MPa<3.112 MPa)，二者高壓區(qū)均分布在槽區(qū)，對于提高密封性能和運(yùn)行穩(wěn)定性有積極意義。

圖3 S-DGS微尺度擾流驗(yàn)證分析(Pin=4.585 2 MPa)

圖4 有/無導(dǎo)流織構(gòu)槽底壓力分布

圖5 有/無導(dǎo)流織構(gòu)槽底速度分布

由圖5可以看出，同一截面下的S-DGS和TS-DGS槽底流場流線方向均從外徑入口指向槽底根部，但后者的最高速度更高(由圖可以看出速度對比為430.5 m/s>400.1 m/s)?？梢姡瑢?dǎo)流織構(gòu)對流體流動具有較好的驅(qū)動、導(dǎo)流效果，在流體流動出現(xiàn)波動時較強(qiáng)的驅(qū)動效果可以在一定程度上抵消或削減波動的影響，進(jìn)而起到穩(wěn)定流體流動的作用，具體見下文計算結(jié)果。

2.2 超高速下擾流特性分析

為了全面獲得微尺度、高參數(shù)下的干氣密封擾流特性，分別從變壓力(Pin=0.5～4 MPa)、變膜厚(h=3～6 μm)、變槽深(2E=2～6 μm)及變轉(zhuǎn)速(N=10 000～120 000 r/min)4個方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。

圖6所示分別為變壓力、變轉(zhuǎn)速下S-DGS開啟力(Fo)和泄漏量(Q)的變化規(guī)律。圖中顯示，N≤45 000 r/min時，開啟力隨轉(zhuǎn)速持續(xù)增大，當(dāng)超過該值時，開啟力開始隨轉(zhuǎn)速緩慢下降(負(fù)相關(guān))；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到90 000 r/min左右，開啟力又與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系，且這樣的變化趨勢隨壓力增大越發(fā)明顯。這與目前普遍存在[28-29]的中低速下開啟力、泄漏量隨轉(zhuǎn)速升高而增大的結(jié)論有所不同，造成這一變化的原因可能是隨著各參數(shù)的變化，微尺度下的流體流動出現(xiàn)了波動現(xiàn)象。具體分析如下：一定范圍(N≤45 000 r/min)內(nèi)的流體流動主要為穩(wěn)態(tài)，存在少量、微弱的擾流因子，此時轉(zhuǎn)速的增大對流體流動的驅(qū)動導(dǎo)流效果大于擾流效果，整體對開啟力起促進(jìn)作用；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大后，流動波動性增強(qiáng)，擾流效應(yīng)開始大于轉(zhuǎn)速對流體的驅(qū)動導(dǎo)流效應(yīng)，進(jìn)而使此時的開啟力變化與轉(zhuǎn)速的增大不再呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到某一值(N=90 000 r/min左右)時，開啟力、泄漏量與轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為正相關(guān)關(guān)系，本文暫定義為二次拐點(diǎn)現(xiàn)象，說明此時的導(dǎo)流效應(yīng)增強(qiáng)，即超高轉(zhuǎn)速對流體的驅(qū)動導(dǎo)流效應(yīng)又超過了此時的擾流效果。

圖6 不同壓力下的擾流效應(yīng)(h=5 μm, 2E=4 μm)

由以上分析可以得出：

1) 微尺度流場在超高速工況的流動復(fù)雜性很高。

2) 超高速工況下，至少存在兩次以上拐點(diǎn)現(xiàn)象。

從圖6(b)可以看出，泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律也較復(fù)雜，在壓力較低(Pin≤1 MPa左右)時，隨轉(zhuǎn)速增大先是緩慢增大然后緩慢下降直至基本穩(wěn)定；當(dāng)壓力較高(Pin≥2 MPa左右)時，泄漏量直接隨轉(zhuǎn)速增大而降低，只是在轉(zhuǎn)速N=90 000 r/min后趨于穩(wěn)定。同上述分析類似，整個變化過程的復(fù)雜性依舊源于拐點(diǎn)時的微尺度擾流、驅(qū)動導(dǎo)流效應(yīng)的博弈結(jié)果。這是造成超高速時開啟力和泄漏量變化規(guī)律不同于一般工況的主要原因。

同理，圖7、圖8分別為變膜厚、變轉(zhuǎn)速和變槽深、變轉(zhuǎn)速下S-DGS開啟力和泄漏量變化規(guī)律。由圖可以看出：與變壓力、變轉(zhuǎn)速工況趨勢類似，在變膜厚、變轉(zhuǎn)速工況時，膜厚越大，開啟力與轉(zhuǎn)速的負(fù)相關(guān)關(guān)系越明顯，即擾流效果越顯著，N=90 000 r/min左右為正負(fù)相關(guān)性轉(zhuǎn)換的拐點(diǎn)，小于或大于這一值時，轉(zhuǎn)速與開啟力和泄漏量的作用關(guān)系均會出現(xiàn)突變；在變槽深、變轉(zhuǎn)速工況時，槽深越小，擾流效果越明顯，當(dāng)槽深2E≤4 μm時，拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速提前到80 000 r/min，且拐點(diǎn)次數(shù)隨槽深減小而減少。

綜上可知，干氣密封微尺度時的流體流動情況復(fù)雜，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值后，開啟力和泄漏量不再與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，期間的擾流作用效果不可忽視；在超高速工況下，高壓、大膜厚、小槽深時的擾流效果越明顯，且發(fā)生第1次拐點(diǎn)時的轉(zhuǎn)速較小，但具體數(shù)值不定；隨著轉(zhuǎn)速的持續(xù)增大，即使壓力、膜厚、槽深等參數(shù)的不同，第2次拐點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速基本在90 000 r/min附近。

圖7 不同膜厚下的擾流效應(yīng)(Pin=2 MPa, 2E=4 μm)

圖8 不同槽深下的擾流效應(yīng)(Pin=2 MPa, h=5 μm)

3 超高速下導(dǎo)流織構(gòu)的抑?jǐn)_特性

超高速下擾流特性的研究結(jié)果表明，高轉(zhuǎn)速、大膜厚、小槽深及高壓力時的擾流現(xiàn)象越明顯；課題組近期研究還發(fā)現(xiàn)，在干氣密封微尺度流動時，槽底合理的導(dǎo)流織構(gòu)形式可有效促進(jìn)流體的有序流動、提高開啟性能。鑒于此，選擇擾動現(xiàn)象較明顯時的參數(shù)區(qū)間，研究此時導(dǎo)流織構(gòu)對擾流現(xiàn)象的影響規(guī)律。

圖9所示為槽深2E=1，2 μm，膜厚h=3，4 μm，壓力Pin=3 MPa時傳統(tǒng)螺旋槽干氣密封(S-DGS)與具有織構(gòu)造型的螺旋槽干氣密封(TS-DGS)的開啟力、泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖可知：S-DGS與TS-DGS在超高速工況時都會出現(xiàn)擾流現(xiàn)象，開啟力、泄漏量與轉(zhuǎn)速為負(fù)相關(guān)關(guān)系，擾流效應(yīng)強(qiáng)度較大；與S-DGS相比，TS-DGS具有較好的抑?jǐn)_能力，其開啟力和泄漏量隨轉(zhuǎn)速升高下降趨勢不明顯，具有良好的開啟性能；當(dāng)轉(zhuǎn)速到二次拐點(diǎn)后，TS-DGS的流態(tài)恢復(fù)響應(yīng)速度更快、開啟力恢復(fù)正相關(guān)的能力(維持穩(wěn)定區(qū)域的作用)更強(qiáng)。以上結(jié)果說明，導(dǎo)流織構(gòu)的存在具有良好的導(dǎo)流效果，在擾流出現(xiàn)時可以進(jìn)一步提升流體的規(guī)律性流動特性，不僅一定程度上降低了流體波動強(qiáng)度，也更容易促成二次拐點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，這對持續(xù)維持干氣密封的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

圖9 擾流效應(yīng)區(qū)間的導(dǎo)流織構(gòu)抑?jǐn)_特性

4 導(dǎo)流織構(gòu)的幾何參數(shù)影響規(guī)律

為進(jìn)一步研究導(dǎo)流織構(gòu)對擾流工況的影響規(guī)律和特點(diǎn)，選擇織構(gòu)深度和寬間比兩個織構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行分析計算，初步探索導(dǎo)流織構(gòu)對擾流效果的抑制機(jī)制。

4.1 織構(gòu)深度

圖10給出了Pin=2 MPa、h=5 μm、2E=2 μm、Bm=0.3 mm、Cm=0.3 mm條件下織構(gòu)深度對開啟力的影響。可以明顯看出二次拐點(diǎn)確實(shí)發(fā)生在轉(zhuǎn)速N=90 000 r/min附近。N<90 000 r/min時，開啟力隨織構(gòu)深度的增加呈先增大后減小的趨勢，在ε=0.1～0.5 μm時比較顯著，并且不同轉(zhuǎn)速下受擾流的影響程度不同，而ε=0.3 μm時不同轉(zhuǎn)速下的開啟力差值相對其他織構(gòu)深度時較小，說明此時受轉(zhuǎn)速擾動的程度較小?？梢?，ε=0.3 μm時，織構(gòu)對擾流的抑制能力最好。

需要指出的是，鑒于織構(gòu)深度太小會造成模型建立和網(wǎng)格劃分的困難增大，文中對比選用的織構(gòu)深度間隔為0.2 μm，對具體數(shù)值會有一定影響，但不影響整體的對比規(guī)律。

圖10 織構(gòu)深度對開啟力的影響

4.2 織構(gòu)寬間比

圖11給出了Pin=2 MPa、h=5 μm、2E=2 μm、ε=1 μm條件下織構(gòu)寬間比對開啟力的影響。隨織構(gòu)寬間比Em=Bm/Cm增大，開啟力增大，但當(dāng)Em≥1時，開啟力隨此參數(shù)變化相對穩(wěn)定，且擾流抑制效果在Em=1時最好。Em影響開啟力的主要原因是Em的變化近似于槽深的變化，Em→∞表示槽深近似1.5 μm的光滑槽底，Em→0表示槽深近似2 μm的光滑槽底。Em影響轉(zhuǎn)速擾流效應(yīng)的原因則是織構(gòu)具有導(dǎo)流作用，使擾動效應(yīng)減弱。綜述之，Em=1為最優(yōu)寬間比。

圖11 織構(gòu)寬間比對開啟力的影響

5 結(jié) 論

1) 類似于氣浮軸承的微幅自激振動現(xiàn)象，超高速工況時干氣密封會出現(xiàn)開啟力、泄漏量與轉(zhuǎn)速的非正相關(guān)變化的擾流失穩(wěn)現(xiàn)象。

2) 干氣密封的擾流效應(yīng)在高速、高壓、大膜厚、小槽深時更加顯著。

3) 在轉(zhuǎn)速持續(xù)增大過程中，干氣密封微尺度流場會出現(xiàn)二次拐點(diǎn)現(xiàn)象，第1次拐點(diǎn)隨著具體工況的不同而存在一定變化，而第2次拐點(diǎn)基本穩(wěn)定在90 000 r/min附近。

4) 導(dǎo)流織構(gòu)在超高速下的驅(qū)動導(dǎo)流效應(yīng)顯著，具有良好的抑制擾流、維持穩(wěn)定區(qū)域的作用。