一字槽柱面氣膜密封性能的仿真分析

（昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引言

現(xiàn)代航空燃?xì)廨啓C研制已達(dá)到較高水平，研究表明，航空發(fā)動機的主流道結(jié)構(gòu)設(shè)計成本呈指數(shù)性增長[1]，與改善其次流道密封結(jié)構(gòu)來提高發(fā)動機整機效率的途徑相比，先進密封技術(shù)降低發(fā)動機燃油功耗的成本更低，泄漏量更少，可使發(fā)動機的效率獲得更大提升[2-3]。因此，NASA在先進亞聲速技術(shù)項目中設(shè)計了諸多的先進密封結(jié)構(gòu)，其中包括刷式密封、端面氣膜密封以及本文研究的柱面氣膜密封等，其研究成果表明，柱面氣膜密封可以提高密封裝置性能，減少泄漏量，使發(fā)動機在惡劣的工作環(huán)境中延長壽命，并且可以降低發(fā)動機耗油率，從而直接減少發(fā)動機的使用成本[4-6]。柱面氣膜密封作為一種先進的非接觸式密封[7]，具有壽命周期長、可靠性高和浮動自適應(yīng)性好等優(yōu)點[8-9]，其中，該密封結(jié)構(gòu)在自適應(yīng)方面的優(yōu)勢可以用來解決轉(zhuǎn)子的大動態(tài)位移問題[10-11]，因此具有很高的研究價值。

柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)主要由柔性支撐系統(tǒng)和浮環(huán)構(gòu)成，利用流體的動壓效應(yīng)，產(chǎn)生氣體阻塞流來達(dá)到密封目的[12]。由于柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)尺寸較小，復(fù)雜槽型加工十分困難，使其很難投入實際生產(chǎn)應(yīng)用中[13]。而一字槽柱面氣膜密封不僅加工工藝易實現(xiàn)，加工成本低，還有長方形壩區(qū)用來阻塞流體，使動壓效應(yīng)明顯，從而提高密封氣膜剛度，保證密封的穩(wěn)定性。

目前，馬綱等運用數(shù)值計算的方法研究出雙向旋轉(zhuǎn)柱面氣膜密封的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性參數(shù)隨不同參數(shù)的變化規(guī)律[14]；并且采用仿真模擬的方法研究了螺旋槽柱面氣膜密封的各項參數(shù)對柱面氣膜密封性能的影響情況[15]。徐萬孚等提出為了考慮實際應(yīng)用問題，螺旋槽氣膜密封的動壓槽槽型參數(shù)的優(yōu)化還需要考慮動態(tài)性能和自振穩(wěn)定性等[16]。丁雪興等進一步對螺旋槽柱面氣膜密封的穩(wěn)態(tài)特性進行分析[17]。Wang等利用CFD軟件模擬研究了3種膜厚下螺旋槽干氣密封端面氣膜沿周向和徑向的溫度分布[18]。蘇澤輝等運用三維仿真研究了T型槽的密封特性[19]。迄今為止，一字槽柱面氣膜密封穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程中的密封性能分析尚未得到深入研究。所以本文采用一字槽柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)作為研究對象，以理想氣體為氣膜介質(zhì)，運用CFD數(shù)值分析探究其密封性能。在Creo中建立柱面氣膜的參數(shù)化三維模型，然后運用ANSA劃分網(wǎng)格，使用FLUENT軟件分析操作參數(shù)和槽型參數(shù)對柱面氣膜密封性能的影響。

1 柱面氣膜密封的結(jié)構(gòu)原理及模型建立

1.1 密封原理

如圖1所示，柔性支承柱面氣膜密封的轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)安裝時存在偏心，通過轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)讓轉(zhuǎn)軸和浮環(huán)之間產(chǎn)生動壓密封氣膜，在流體動壓效應(yīng)下形成一定的剛度氣膜，隔絕或減緩高壓側(cè)向低壓側(cè)的氣體流動，并使轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)在密封過程中相互分離，保持非接觸的動態(tài)平衡[20]。由于浮環(huán)與轉(zhuǎn)軸間不發(fā)生接觸，該密封結(jié)構(gòu)可以避免磨損和摩擦，延長密封壽命，增加密封的可靠性[21～23]。

圖1 柱氣膜密封結(jié)構(gòu)示意

1.2 網(wǎng)格劃分與獨立性檢驗

氣膜平均厚度在微米級別，由于仿真結(jié)果會直接受到網(wǎng)格劃分質(zhì)量的影響，而ANSA軟件可以有效調(diào)節(jié)模型分辨率，高質(zhì)量地顯示出微米級別的槽，所以本文選用前處理ANSA 軟件對所建模型進行網(wǎng)格劃分。如圖2所示，基于流體計算精度準(zhǔn)則，在只有微米級別的模型氣膜厚度方向劃分為5層，并采用正交性較好的六面體網(wǎng)格，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖2 柱氣膜密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意

圖3示出平均氣膜厚度為20 μm時的氣膜泄漏量Q在不同網(wǎng)格數(shù)N下的計算結(jié)果，可以看出不同的網(wǎng)格數(shù)下得到的結(jié)果誤差小于2%，可以認(rèn)為結(jié)果可取。綜合考慮計算精度要求和計算機配置情況，采用的網(wǎng)格數(shù)為479 232。

圖3 網(wǎng)格獨立性檢驗

1.3 計算模型假設(shè)

對計算模型作了如下假設(shè)：（1）介質(zhì)符合牛頓粘性原理的均勻連續(xù)的氣體。（2）不考慮氣體體積力對流場的影響。（3）流場內(nèi)溫度和流體粘度保持恒定。（4）流體與轉(zhuǎn)軸及浮環(huán)不發(fā)生相對滑移。

1.4 邊界條件和求解器設(shè)定

設(shè)置進口邊界為壓力入口，壓力P=0.3 MPa，出口邊界為壓力出口，P=0.1 MPa，溫度26.85 ℃；內(nèi)壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)動環(huán)面，轉(zhuǎn)速為13 000 r/min。外壁面設(shè)為靜止面。

文中采用壓強-速度關(guān)聯(lián)算法，F(xiàn)LUENT軟件中可選用SIMPLE或SIMPLEC的定常流體計算來定義分離求解器。SIMPLEC算法相對于SIMPLE算法改進了系數(shù)項的計算，改進了壓力修正值在運算過程中增多的缺點，引入了速度修正方程。在沒有輻射模型等輔助方程的層流計算中，SIMPLEC收斂速度更快，并且與SIMPLE運算結(jié)果幾乎沒有差別，所以本文求解器設(shè)置為SIMPLEC 壓力修正法。

1.5 模型驗證

本文通過FLUENT軟件三維模擬仿真得出氣膜密封性能參數(shù)。為了驗證仿真參數(shù)設(shè)置的正確性，使用盧志偉等[22]研究氣浮軸承時采用的軸承參數(shù)。將本文模擬的計算結(jié)果與文獻[24]的結(jié)果進行對比，圖4示出不同氣膜間隙與流量關(guān)系的趨勢對比圖。從圖4可以看出，本文模擬計算出的氣膜間隙與流量之間的關(guān)系曲線和文獻中基本相同，都為上升趨勢，且上升趨勢十分接近?？梢?，本文的模擬計算方法具有較好的準(zhǔn)確性，可以用于后續(xù)氣膜密封性能的計算。

圖4 模型驗證對比

表1 柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 一字槽柱面密封的幾何結(jié)構(gòu)示意

2 一字槽柱面氣膜靜壓分析

以表1中的操作參數(shù)進行計算，其靜壓分布如圖2所示。

圖6 一字槽柱面氣膜密封靜壓分布

氣體在動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時被吸入一字槽內(nèi)，因轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)之間為偏心安裝，兩者之間存在楔形間隙。在楔形效應(yīng)下，氣體流動產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)。通過靜壓分布云圖，可以看出氣膜壓力為非線性變化，即從高壓入口到一字槽底端，壓力先升后降。其中頂部最高壓力為0.312 MPa。高壓入口的壓力為0.3 MPa，則氣膜內(nèi)部的最高壓力比入口壓力大4%左右。

3 操作參數(shù)對密封性能影響分析

建立槽數(shù)為16，槽深為5 μm，槽長為25 mm，槽寬為8 mm的氣膜模型。分析轉(zhuǎn)速以及壓差對氣膜泄漏量，摩擦轉(zhuǎn)矩，氣膜浮升力以及泄漏量的影響。

3.1 轉(zhuǎn)速對密封性能的影響

轉(zhuǎn)速對密封性能的影響如圖7所示。從圖7可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，氣膜的泄漏量、浮升力、氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩變化量較小，密封性能幾乎不隨轉(zhuǎn)速變化。氣體受槽型區(qū)影響，阻塞流增大，即泄漏氣體軸向流速降低導(dǎo)致泄漏量降低，而阻塞流的增大，致使非壩區(qū)氣膜壓力下降，槽區(qū)增加的流體動壓無法抵消其影響，因此浮升力呈略微下降的趨勢。含有槽型的動環(huán)浮升力降低，致使偏心計算中，氣膜剛度也隨之降低。

圖7 轉(zhuǎn)速對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

3.2 壓差對密封性能的影響

壓差對密封性能的影響如圖8所示。從圖8可以看出，隨著壓差增大，泄漏量，浮升力，氣膜剛度以及摩擦轉(zhuǎn)矩都隨之增大，這是因為壓差增加導(dǎo)致軸向氣流流速增加，氣體黏度相對較低，密封間隙的壓力主要以動壓效應(yīng)產(chǎn)生的密封壓力作為主導(dǎo)壓力，使得流體沿著槽的方向流動，周向剪切形成的流體動壓壓力小于密封徑向的壓力。隨著入口壓力增大泄漏量也隨之上升，壓差由0.1 MPa上升至0.4 MPa，密封泄漏量增加了3倍左右，符合泄漏率的理論變化，氣膜浮升力上升1.06倍左右，而受壓差的影響，摩擦轉(zhuǎn)矩增加了2.5，氣膜剛度上升3.7%。

圖8 壓差對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣膜密封性能的影響

在轉(zhuǎn)速為13 000 r/min，壓差為0.2 MPa的條件下，分析偏心率以及平均氣膜厚度對氣膜泄漏量，摩擦轉(zhuǎn)矩，氣膜浮升力以及泄漏量的影響。

4.1 偏心率對密封性能的影響

偏心率對密封性能的影響如圖9所示。從圖9中可以看出隨著偏心率增加，泄漏量和浮升力明顯增加，氣膜剛度明顯下降，而摩擦轉(zhuǎn)矩先增加后趨于平衡。當(dāng)偏心率增大時，最小氣膜厚度變小，楔形間隙也變小，楔形效應(yīng)及流體動壓效應(yīng)增加，流量及流體速度都增大，導(dǎo)致泄漏量和浮升力增加。而浮升力的增加導(dǎo)致膜內(nèi)外浮升力差值增大，使氣膜剛度下降。而楔形間隙較小還會導(dǎo)致局部摩擦轉(zhuǎn)矩增加，所以摩擦轉(zhuǎn)矩隨偏心率增加而增加，最后趨于平衡。綜合以上分析可以得出，偏心率在0.4～0.6之間，柱面氣膜密封性能最好。

圖9 偏心率對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

4.2 平均氣膜厚度對密封性能的影響

平均氣膜厚度對密封性能的影響如圖10所示。從圖10可以看出，隨著平均氣膜厚度的增加，泄漏量明顯增加而浮升力明顯降低，氣膜剛度呈非線性變化，摩擦轉(zhuǎn)矩沒有明顯變化。當(dāng)氣膜厚度增加，徑向厚度也隨之增加，泄漏體積增大，導(dǎo)致泄漏量增大，流體動壓效應(yīng)降低，使氣膜壓力下降，從而導(dǎo)致氣膜浮升力下降。平均氣膜厚度由10 μm逐漸增加到15 μm時，受槽型區(qū)影響較大，氣體阻塞流增加，流速明顯減小，使氣膜剛度呈下降趨勢。但隨著平均氣膜厚度繼續(xù)增加，氣膜浮升力減少而導(dǎo)致的氣膜內(nèi)外壓力差減少無法被抵消，從而導(dǎo)致氣膜剛度增加。綜合4項參數(shù)可以看出，柱面氣膜密封在平均氣膜厚度為10 μm處的密封性能最佳。

圖10 平均氣膜厚度對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

5 槽型參數(shù)對氣膜密封性能的影響

在轉(zhuǎn)速為13 000 r/min，壓差為0.2 MPa的條件下，分析槽數(shù)、槽深以及槽長對氣膜泄漏量，摩擦轉(zhuǎn)矩，氣膜浮升力以及泄漏量的影響。

5.1 槽數(shù)對密封性能的影響

槽數(shù)對密封性能的影響如圖11所示。

圖11 槽數(shù)對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

從圖11中可以看出，隨著槽數(shù)增加，泄漏量和浮升力均增加，而氣膜剛度減少，摩擦轉(zhuǎn)矩呈非線性變化即先增加后減少。由于槽數(shù)增加，氣體的泵吸效應(yīng)增加，槽區(qū)和非槽區(qū)的連續(xù)出現(xiàn)增加了流體動壓效應(yīng)，在兩者的平衡作用下，泄漏量有所增加，但遠(yuǎn)小于平均氣膜厚度對其的影響。動壓效應(yīng)的增強，使氣膜壓力增加從而導(dǎo)致氣膜浮升力增加。在浮升力上升的同時，膜內(nèi)浮升力增量低于膜外浮升力增量，導(dǎo)致氣膜剛度持續(xù)減小。由于槽數(shù)的增多，阻塞效應(yīng)增強，泄漏氣體的增加不足以抵消阻塞效應(yīng)的影響，因此摩擦轉(zhuǎn)矩呈上升趨勢，但在槽數(shù)為16以后，泄漏體積的增加足以抵消阻塞效應(yīng)的影響，摩擦轉(zhuǎn)矩的變化呈下降趨勢。綜合而言，當(dāng)槽數(shù)為12～16個時，柱面氣膜密封的性能較好。

5.2 槽深對密封性能的影響

槽深對密封性能的影響如圖12所示。從圖12中可以看出，隨著槽深的增加，泄漏量、浮升力、氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩都為上升趨勢。這是因為槽深增加，通過的流量體積隨之增大，泄漏量隨之增大。動壓效應(yīng)增強，氣膜壓力增加從而導(dǎo)致氣膜浮升力加大。槽深的變化使得壁外的浮升力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壁內(nèi)的徑向力，開槽端產(chǎn)生較強的動壓效應(yīng)，導(dǎo)致氣膜剛度隨槽深變化最為明顯，從10 770 N/m上升至278 325 N/m。

圖12 槽深對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

5.3 槽長對密封性能的影響

槽長對密封性能的影響如圖13所示。

圖13 槽長對密封氣膜剛度、泄漏量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及氣膜浮升力的影響分布曲線

從圖13中可以看出，隨著槽長增加，泄漏量增加，氣膜浮升力呈非線性變化，氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩減小。槽長的增加使泄漏通道的有效體積增大，導(dǎo)致泄漏量增加。槽長增加導(dǎo)致產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)的區(qū)域增加，使浮升力增加，但當(dāng)槽長增加到30 mm時，泄漏體積的增大與動壓效應(yīng)區(qū)域增加相抵消，導(dǎo)致浮升力有下降的趨勢。浮升力的變化導(dǎo)致氣膜內(nèi)外壓力差先變大后不變，從而導(dǎo)致氣膜剛度逐漸減小最后趨于平衡。綜合以上，槽長選取30 mm以內(nèi)時，密封性能較好。

6 結(jié)論

（1）一字槽的存在對柱面氣膜壓場分布產(chǎn)生較大影響，受槽區(qū)影響，槽區(qū)入口壓場有明顯的波動。

（2）轉(zhuǎn)速變化對氣膜密封特性影響不大，而壓差、泄漏率和氣膜平均厚度會導(dǎo)致氣膜的泄漏量和浮升力發(fā)生明顯變化。平均氣膜厚度10 m，偏心在0.4～0.6時，氣膜的各項密封性能參數(shù)均較好。

（3）相比于操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，槽型參數(shù)對氣膜密封性能的影響較小，由于平均氣膜厚度對泄漏量和浮升力的影響以及偏心率對氣膜剛度和摩擦轉(zhuǎn)矩的影響相互制約，應(yīng)用中需綜合考慮其對密封性能影響。