柔性絲刷式密封泄漏特性的數(shù)值與試驗(yàn)研究

馬鈺虎，李雙喜，張山雨，沙廉翔，施任杰

（1.北京化工大學(xué) 流體密封技術(shù)研究中心，北京 100029；2.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

0 引言

刷式密封作為一種新型密封發(fā)展十分迅速，已廣泛運(yùn)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。研究表明，將發(fā)動(dòng)機(jī)中的一處或幾處關(guān)鍵位置的蓖齒密封替換為刷式密封，可使發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高1%～3%，使燃油消耗率降低3%～5%［1］。刷式密封的刷絲材料主要為金屬絲，與轉(zhuǎn)子間高強(qiáng)度的摩擦磨損是降低刷封使用壽命的主要因素。隨著刷式密封技術(shù)的發(fā)展，刷絲材料也開始采用一些非金屬材料。非金屬刷絲可減輕刷封整體重量，降低摩擦和生熱，提高工作壽命。因此，對柔性絲刷式密封的封嚴(yán)特性和機(jī)理的研究十分重要。

許多學(xué)者［2-9］通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的方法對刷式密封的泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。Bayley等［10］使用線性Darcian多孔介質(zhì)模型分析了刷式密封的泄漏流動(dòng)機(jī)理。Chew等［11-12］采用非線性Darcian多孔介質(zhì)模型對刷式密封的泄漏特性進(jìn)行預(yù)測。周坤等［13］通過試驗(yàn)，對不同后擋板結(jié)構(gòu)刷封的泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。李雙喜等［14］采用多孔介質(zhì)模型數(shù)值預(yù)測，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，全面研究了端面刷式密封泄漏特性的影響因素。

本試驗(yàn)室基于傳統(tǒng)徑向刷式密封結(jié)構(gòu)，提出“L”形柔性絲刷式密封結(jié)構(gòu)，刷絲選用碳纖維材料。建立柔性絲刷式密封泄漏特性分析的數(shù)值模型，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)，工況參數(shù)和安裝參數(shù)對碳纖維刷式密封泄漏特性的影響。通過試驗(yàn)，分析壓差和轉(zhuǎn)速對碳纖維刷式密封泄漏流動(dòng)的影響，并驗(yàn)證數(shù)值分析的正確性。

1 柔性絲刷式密封結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示，柔性絲刷式密封由前擋板、后擋板和刷絲束組成，前、后擋板通過過盈配合夾持住刷絲束，刷絲束與轉(zhuǎn)子接觸形成密封界面。刷絲形成的不規(guī)則流動(dòng)通道，使流體產(chǎn)生不規(guī)則流動(dòng)，造成自封閉效應(yīng)，達(dá)到密封效果。柔性刷絲能減小與轉(zhuǎn)子的徑向接觸力，降低摩擦磨損，增加工作壽命，且變形后恢復(fù)能力強(qiáng)，能很好地適應(yīng)轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)，降低因“滯后效應(yīng)”造成的泄漏。

圖1 刷式密封示意

2 數(shù)值方法和計(jì)算模型

2.1 數(shù)值方法

對刷式密封泄漏特性進(jìn)行數(shù)值研究時(shí)，通常將刷束區(qū)處理成多孔介質(zhì)來對其內(nèi)部流場進(jìn)行簡化。結(jié)合多孔介質(zhì)模型和流體力學(xué)，聯(lián)立動(dòng)量方程和連續(xù)性方程來計(jì)算［8］：

將流經(jīng)刷絲束內(nèi)部的氣體當(dāng)做理想可壓縮氣體來處理［8］：

式中p——壓力；

ρ——流體密度；

R——理想氣體常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度常數(shù)。

將刷絲束對流體的阻擋作用當(dāng)作一個(gè)附加動(dòng)量源項(xiàng)，修正動(dòng)量方程［15］：

式中Fi——?jiǎng)恿吭错?xiàng)；

Dij——刷束區(qū)黏性阻力系數(shù)矩陣；

Cij——刷束區(qū)慣性阻力系數(shù)矩陣。

黏性阻力系數(shù)αi和慣性阻力系數(shù)βi可以通過試驗(yàn)測得，也可通過以下經(jīng)驗(yàn)公式求得［15］：

式中Z，n，m——軸向、徑向和周向的阻力系數(shù)；

ε——刷束孔隙率。

當(dāng)刷絲排布無徑向傾斜角時(shí)，刷束的孔隙率ε可以由下式來定義［15-23］：

式中N——刷絲排列密度；

L——刷束厚度。

2.2 計(jì)算模型

如圖2所示，碳纖維刷式密封及其內(nèi)部流體在圓周方向上呈軸對稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型在圓周方向上選取1°的圓弧來進(jìn)行簡化，減少運(yùn)算時(shí)間。模型包括普通的流體區(qū)和處理為多孔介質(zhì)的刷束區(qū)。流體進(jìn)出刷封有收放效應(yīng)，需要在刷封進(jìn)出口處增加一部分流體域。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對刷束區(qū)進(jìn)行局部加密，如圖3所示，紅線框選位置為刷束區(qū)，網(wǎng)格最優(yōu)數(shù)量為259 407個(gè)。

圖2 “L”形碳纖維刷式密封結(jié)構(gòu)

圖3 網(wǎng)格劃分

刷式密封數(shù)值計(jì)算幾何參數(shù)取值見表1，本文刷絲長度由刷絲過盈量來體現(xiàn)。

表1 主要結(jié)構(gòu)尺寸 mm

2.3 邊界設(shè)定

采用FLUENT軟件進(jìn)行分析計(jì)算，用標(biāo)準(zhǔn)k-ω方程紊流模型模擬普通流體區(qū)域。刷絲束采用層流模型，并開啟多孔介質(zhì)模型。整體采用Simple算法進(jìn)行計(jì)算，密封介質(zhì)選用理想可壓縮空氣。與轉(zhuǎn)子接觸的流體壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)邊界，沿轉(zhuǎn)子圓周方向旋轉(zhuǎn)的壁面設(shè)為周期性邊界，其余壁面均設(shè)為無滑移邊界。表2為邊界條件的具體取值。

表2 邊界條件

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 流場分析

用作流場分析的模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)見表3。

表3 模型參數(shù)

由圖4可以看出，流體流入刷束區(qū)后，由于刷束區(qū)流道變窄，流速逐漸增加。到達(dá)后板出口時(shí)，流動(dòng)通道和流動(dòng)方向突然改變，使流速達(dá)到最大。刷絲與軸表面摩擦生熱也加速了流體的流動(dòng)。

圖4 速度云圖

由圖5可知，前后擋板拐角處流動(dòng)通道突然改變，使流體流速方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，徑向速度增大，使刷封出現(xiàn)“吹伏效應(yīng)”，增加刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦磨損。同時(shí)也會(huì)減小刷絲束的孔隙率，降低泄漏。

圖5 速度矢量

由圖6可知，沿著流體流動(dòng)方向壓力總體呈下降趨勢。由于刷束區(qū)對流體的流動(dòng)阻力較大，產(chǎn)生明顯的壓力降。在進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域不存在流動(dòng)阻力，故沒有明顯的壓力降。

圖6 壓力云圖

3.2 泄漏量分析

為了更好地分析前、后板間隙及不同絲徑下刷束厚度對泄漏特性的影響，引入前、后板間隙比和刷束厚度比的概念，即前、后板間隙與刷束厚度的比值Ⅰ和Ⅱ，刷束厚度與刷絲直徑的比值Ⅲ。

泄漏率隨壓差的變化如圖7所示。隨著壓差的增加，泄漏率均近似呈線性行增加。且后板間隙越大的刷封，壓差提高對泄漏率的增幅越大。降低刷封兩端的壓差是提高刷封密封性能的重要措施。在條件允許的情況下，可以布置多級刷封來逐級分擔(dān)壓差，使每級刷封都處于較低的壓差環(huán)境中。

圖7 壓力差值對泄漏率的影響

泄漏率隨溫度的變化如圖8所示。隨著溫度的增高，氣體密度降低而黏度增加，增大了刷束區(qū)的流動(dòng)阻力，使泄漏率逐漸降低。溫度繼續(xù)升高，氣體的密度變化和黏度變化將達(dá)到峰值，刷束區(qū)的流動(dòng)阻力也不再變化，泄漏率趨于穩(wěn)定。

圖8 溫度對泄漏率的影響

泄漏率隨轉(zhuǎn)速的變化如圖9所示。隨著轉(zhuǎn)速的增加，泄漏率略微下降。增加轉(zhuǎn)速可降低刷封的泄漏率，但影響輕微。

圖9 轉(zhuǎn)速對泄漏率的影響

泄漏率隨孔隙率的變化如圖10所示。隨著孔隙率的增加，刷束區(qū)的流動(dòng)阻力減小，泄漏率增大。當(dāng)ε＜0.2時(shí)，不同壓差作用下的泄漏率相差較小，說明降低孔隙率可降低壓差對泄漏率的影響。

圖10 刷束孔隙率對泄漏率的影響

泄漏率隨刷絲直徑的變化如圖11所示。泄漏率隨刷絲直徑的增大近似呈線性增大，且在大壓差時(shí)影響更明顯，因此可選用小直徑刷絲來降低泄漏。

圖11 刷絲直徑對泄漏率的影響

泄漏率隨刷絲長度的變化如圖12所示，泄漏率隨刷絲長度的增加近似于線性減小。增加刷絲長度能顯著降低泄漏率，但也會(huì)增加刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦磨損。因此，選取合適的刷絲長度可以同時(shí)兼顧刷封的密封性能和工作壽命。

圖12 刷絲長度對泄漏率的影響

泄漏率隨前板間隙的變化如圖13所示，泄漏率隨前板間隙的增大先逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，且不同壓差下泄漏率變化程度一樣，表明前板間隙對泄漏率的影響是有限的。

圖13 前板間隙對泄漏率的影響

圖14表明，泄漏率隨著后板間隙的增大近似于線性增大，且大壓差下泄漏率增幅更明顯。說明后板間隙對泄漏率的影響不受限制，且對大壓差工況影響程度更大。在條件允許的情況下，減小后板間隙能有效降低泄漏。

圖14 后板間隙對泄漏率的影響

由圖15可知，泄漏率隨著刷絲束厚度的增大逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。說明刷束厚度對泄漏率的影響程度有限，達(dá)到一定程度時(shí)，增大刷束厚度泄漏率不會(huì)再降低，反而浪費(fèi)刷絲材料和增大轉(zhuǎn)子的磨損。故刷束厚度要選取適當(dāng)，本模型中刷束厚度取絲徑的20倍最好。

圖15 刷絲束厚度對泄漏率的影響

密封間隙對泄漏率的影響如圖16所示。從圖可見，泄漏率均在密封間隙0.05 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，且在拐點(diǎn)前緩慢增大，在拐點(diǎn)后近似呈線性增加。

圖16 密封間隙對泄漏率的影響

密封間隙較小時(shí)，刷束與轉(zhuǎn)子間可通過流體阻力效應(yīng)可進(jìn)行阻漏，此時(shí)刷式密封類似于浮環(huán)密封，泄漏較小。當(dāng)密封間隙較大時(shí)，流阻效應(yīng)消失，泄漏率迅速呈線性增大，此時(shí)的泄漏率主要由密封間隙造成。在滿足泄漏率要求的前提下，刷絲與轉(zhuǎn)子間存在一定間隙，可顯著降低摩擦磨損和生熱，延長刷封的使用壽命。

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置

圖17示出刷式密封旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺，主要由腔體系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、測量系統(tǒng)組成。腔體系統(tǒng)由密封外腔體、刷封跑道、碳纖維刷式密封等組成；動(dòng)力系統(tǒng)包括變頻器、電機(jī)、轉(zhuǎn)子等；氣路系統(tǒng)由壓縮機(jī)、控壓裝置、氣體管路等組成；測量系統(tǒng)包括壓力表、流量計(jì)、溫度熱電偶等。

圖17 密封試驗(yàn)臺

4.2 試驗(yàn)過程

壓縮機(jī)將空氣壓入穩(wěn)壓瓶，調(diào)節(jié)調(diào)壓裝置，將高壓氣體經(jīng)進(jìn)氣管路注入密封試驗(yàn)腔，再經(jīng)刷絲束進(jìn)入密封泄漏腔，泄漏的氣體經(jīng)連接流量計(jì)的出氣管路排入大氣。試驗(yàn)腔和泄漏腔接有壓力表和溫度熱電偶，以讀取進(jìn)出口壓力和溫度。通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)頻率進(jìn)而得到所需要的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。

4.3 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為自主設(shè)計(jì)加工的碳纖維刷式密封，刷絲采用碳纖維材料，擋板材料為S30408。

試驗(yàn)用碳纖維刷式密封結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，試驗(yàn)分別測量刷封在磨合前后不同壓差和轉(zhuǎn)速下的泄漏量。

表4 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

靜態(tài)工況下泄漏率隨壓差的變化如圖18所示。刷封磨合前后的泄漏率變化趨勢與數(shù)值模擬近似一致，隨壓差的增大逐漸增大。

圖18 壓差對靜態(tài)泄漏率的影響

30 kPa壓差下泄漏率隨轉(zhuǎn)速的變化如圖19所示。磨合前后的泄漏率變化趨勢與數(shù)值模擬近似一致，隨轉(zhuǎn)速的增大逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖19 轉(zhuǎn)速對泄漏率的影響

由于自主加工的試驗(yàn)件精度不夠，刷絲排布未達(dá)到嚴(yán)格均勻，會(huì)產(chǎn)生局部細(xì)小間隙。以及安裝誤差和實(shí)際測量誤差，使得試驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果略大。但在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的誤差總體均保持在10%以內(nèi)，足以證明數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖18和19中刷封未磨合時(shí)，刷絲與轉(zhuǎn)子表面貼合不夠緊密，產(chǎn)生局部間隙，導(dǎo)致泄漏率趨于穩(wěn)定后，磨合后的泄漏率低于磨合前。在壓差40 kPa和轉(zhuǎn)速5 000 r/min之前，磨合后的泄漏率高于磨合前，是在進(jìn)行磨合后試驗(yàn)時(shí)刷封沒有重新拆裝，上一次試驗(yàn)中變形的刷絲未及時(shí)恢復(fù)造成的。

由圖20可看出，試驗(yàn)后的刷絲排布均勻、緊密，跑道未出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，說明刷封具有持久保持良好密封性能的能力。

圖20 試驗(yàn)后試驗(yàn)件

5 結(jié)論

（1）流體進(jìn)入刷束區(qū)前流速較低，進(jìn)入刷束區(qū)后逐漸增加，后擋板出口處流速最大。上、下游流體區(qū)域壓力分布均勻，流體壓力在刷束區(qū)發(fā)生突降；

（2）小壓差、高溫度和高轉(zhuǎn)速工況下刷封的泄漏率降低，反之則提高，其中轉(zhuǎn)速的影響程度較低。降低孔隙率、刷絲直徑、前板間隙、后板間隙或增加刷絲長度、刷束厚度可提高刷封的密封性能；

（3）合適的密封間隙可通過流體阻力效應(yīng)進(jìn)行密封，使刷式密封達(dá)到類似浮環(huán)密封的效果，同時(shí)顯著降低刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦磨損；

（4）磨合前的泄漏率比磨合后略大，且二者隨壓差和轉(zhuǎn)速的變化趨勢均與數(shù)值模擬結(jié)果相同。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差小于10%，變化趨勢一致。