工況參數(shù)對(duì)機(jī)械密封液膜汽化特性及性能的影響

陳匯龍 桂 鎧 李新穩(wěn) 韓 婷 謝曉鳳 陸俊成

江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇，212013

0 引言

通過(guò)密封端面微造型形成穩(wěn)定的流體膜潤(rùn)滑是動(dòng)壓型機(jī)械密封具有更高性能的關(guān)鍵。然而，對(duì)于液體動(dòng)壓型機(jī)械密封而言，其應(yīng)用的工況、條件多種多樣甚至很復(fù)雜，比如在較高溫度介質(zhì)或低溫液化氣的密封中，極易出現(xiàn)潤(rùn)滑液膜汽化現(xiàn)象，這會(huì)破壞間隙液膜的完整性，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致液膜不穩(wěn)定甚至密封失效損壞[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者已對(duì)液體機(jī)械密封的潤(rùn)滑膜相變問(wèn)題開展了相關(guān)研究。LEBECK[3]構(gòu)建了一種含有相變的流體靜力學(xué)機(jī)械密封混合摩擦模型，研究了各種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)兩相密封運(yùn)行的影響，結(jié)果表明，與全液相或全氣相密封相比，在密封界面上的相變會(huì)導(dǎo)致流體膜壓力所支撐的載荷比例增大；HUGHES等[4-8]對(duì)液體潤(rùn)滑機(jī)械密封液膜相變進(jìn)行了研究，構(gòu)建了間斷沸騰模型、湍流絕熱兩相流模型、似等溫低泄漏層流模型、可變溫度連續(xù)沸騰模型等多種理論計(jì)算模型，并分析了機(jī)械密封兩相運(yùn)行的不穩(wěn)定性和性能；ETSION等[9-11]研究發(fā)現(xiàn)相變對(duì)密封件的角剛度可能是不利的，而在適度的端面未對(duì)準(zhǔn)情況下，沸騰界面仍是呈軸對(duì)稱的；ROUILLON 等[12]對(duì)螺旋槽機(jī)械密封的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)能量平衡分析確定了單相和兩相流之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)密封件接近飽和溫度且在高轉(zhuǎn)速和低載荷下剪切力足夠大時(shí)，流動(dòng)變?yōu)閮上嗔鲃?dòng)；陳匯龍等[13-15]模擬了液體潤(rùn)滑螺旋槽機(jī)械密封間隙的空化現(xiàn)象，研究了空化效應(yīng)的影響因素及其對(duì)密封性能的影響規(guī)律，并分析了空化效應(yīng)和熱效應(yīng)引起的動(dòng)壓潤(rùn)滑失效機(jī)制；劉歡歡[16]基于FLUENT軟件中的Mixture模型與蒸發(fā)冷凝模型，通過(guò)計(jì)算模擬得到了端面液膜各相體積分?jǐn)?shù)與液膜的汽化半徑。蔡紀(jì)寧等[17]對(duì)建立的機(jī)械密封應(yīng)力-溫度場(chǎng)軸對(duì)稱模型進(jìn)行了模擬分析，獲得了介質(zhì)溫度、壓力、主軸轉(zhuǎn)速以及密封載荷系數(shù)對(duì)液膜相變半徑的影響。曹恒超等[18-20]建立了液膜密封相變模型，對(duì)非接觸式機(jī)械密封相變現(xiàn)象進(jìn)行了仿真模擬，獲得了液膜流場(chǎng)的壓力分布、相態(tài)分布等，并研究了槽型參數(shù)、工況參數(shù)等對(duì)密封相變的影響，以及相變率、相變區(qū)域等對(duì)密封性能的影響。

目前有關(guān)機(jī)械密封間隙液膜流場(chǎng)的研究多數(shù)以等溫、等黏度為前提，但忽略了飽和蒸汽壓力與溫度、黏度與溫度的關(guān)系，此外，轉(zhuǎn)速較高時(shí)密封微間隙液體流動(dòng)具有速度梯度大、內(nèi)摩擦效應(yīng)明顯等特點(diǎn)，完全忽略內(nèi)摩擦效應(yīng)也將給流場(chǎng)模擬結(jié)果帶來(lái)較大影響。為此，本文以螺旋槽上游泵送機(jī)械密封為例，建立了基于黏溫效應(yīng)、飽和溫度隨壓力變化和流體內(nèi)摩擦效應(yīng)的動(dòng)壓型機(jī)械密封液膜汽化計(jì)算模型，采用FLUENT軟件模擬計(jì)算，研究了液膜汽化特性隨工況參數(shù)的變化規(guī)律及其對(duì)密封潤(rùn)滑性能的影響。

1 模型的建立

圖1、圖2所示分別為密封動(dòng)環(huán)端面螺旋槽造型和密封潤(rùn)滑膜三維造型(為便于觀察，在厚度方向放大1 000倍表示)。圖1中，θw、θg分別為密封堰和螺旋槽對(duì)應(yīng)的圓心角，槽寬比γ為θg/(θw+θg),ω為密封環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度，坐標(biāo)假設(shè)如下：以密封環(huán)軸線為Z軸且由靜環(huán)指向動(dòng)環(huán)為正向，動(dòng)環(huán)面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，密封端面的相關(guān)幾何參數(shù)值見表1。槽型線采用對(duì)數(shù)螺線，槽型線上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半徑r可表示為

r=rieφtan θ

(1)

式中：ri為液膜內(nèi)半徑，mm；φ為螺旋線展開角，(°)；θ為螺旋角，(°)。

圖1 密封動(dòng)環(huán)端面螺旋槽造型Fig.1 Face structure of spiral groove rotating ring

圖2 密封潤(rùn)滑膜三維模型Fig.2 Three-dimensional model of lubricating film

表1 密封端面幾何參數(shù)值

為便于研究，本文忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的因素，并對(duì)計(jì)算模型作如下簡(jiǎn)化：①暫不考慮因不均勻受力與受熱而導(dǎo)致的端面變形的影響；②暫不考慮表面粗糙度、波度、傾斜及旋轉(zhuǎn)軸偏心的影響；③忽略兩相之間及液膜與動(dòng)靜環(huán)面之間的滑移；④忽略重力的影響；⑤潤(rùn)滑膜流動(dòng)為層流。

動(dòng)壓型機(jī)械密封潤(rùn)滑膜的氣相輸運(yùn)方程可表示為[21]

(2)

式中，φv為平均氣相體積分?jǐn)?shù)；ρv為氣相密度，kg/m3;vv為氣相速度矢量，m/s；Re、Rc分別為相變過(guò)程的蒸發(fā)項(xiàng)和冷凝項(xiàng)。

相變過(guò)程的Re、Rc可分別利用下式求得[22]：

當(dāng)Tl>Tsat時(shí)，

(3)

當(dāng)Tv

(4)

式中，φl(shuí)為平均液相體積分?jǐn)?shù)；ρl為液相密度，kg/m3；Tl為液相溫度，K；Tv為氣相溫度，K；Tsat為當(dāng)?shù)仫柡蜏囟?，K；Cec為蒸發(fā)冷凝系數(shù)；db為氣泡直徑，m；β為適應(yīng)系數(shù)，表征氣相分子進(jìn)入液相表面并被吸附的部分，在接近平衡條件時(shí)β≈1.0；L為潛熱，J/kg；M為摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為通用氣體常數(shù)。

液膜發(fā)生相變后，流體膜混合相密度ρ與黏度μ的變化根據(jù)WALLIS[23]的研究成果可由下式進(jìn)行描述：

(5)

(6)

式中：μv為氣相動(dòng)力黏度，Pa·s；μl為液相動(dòng)力黏度，Pa·s；w為混合相中氣相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于氣相的黏度遠(yuǎn)小于液相的黏度且隨溫度的變化較小，因此，本文計(jì)算中汽相的黏度取密封介質(zhì)在363～433 K范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的水蒸氣黏度值，液相的黏度由水的黏溫關(guān)系確定。為了得到水的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系式，本文采用MATLAB軟件根據(jù)飽和蒸汽壓力與溫度的實(shí)測(cè)值得到擬合方程，并對(duì)方程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示，可以看出兩者的吻合性很好。對(duì)黏溫關(guān)系的描述有Slotte方程、Vogel方程和Reynolds方程等[24]，但采用上述方程直接計(jì)算水的黏溫關(guān)系值時(shí)會(huì)存在較大誤差，為此，本文同樣采用MATLAB根據(jù)飽和狀態(tài)下水的黏度實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，并對(duì)擬合方程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，可以看出兩者的吻合性很好。圖3和圖4所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)擬合方程通過(guò)編譯用戶自定義函數(shù)(user-defined function，UDF)嵌入到FLUENT相應(yīng)模塊中，以便在液膜汽化模擬計(jì)算中考慮黏溫關(guān)系以及水的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系。

圖3 水的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of saturated steam pressure of water and pressure

圖4 水的黏溫關(guān)系曲線Fig.4 Viscosity-temperature relationship

2 求解設(shè)置

為提高計(jì)算效率，取周期性潤(rùn)滑膜的1/Ng作為仿真計(jì)算域，圖5所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后確定的網(wǎng)格數(shù)量為390 166。

圖5 計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational domain meshing and boundary conditions

如圖5所示，潤(rùn)滑膜與動(dòng)環(huán)及螺旋槽的各接觸面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，潤(rùn)滑膜與靜環(huán)的接觸面設(shè)置為靜止壁面，熱邊界條件均為對(duì)流換熱；動(dòng)環(huán)、靜環(huán)材料分別為碳化硅、碳石墨；潤(rùn)滑膜內(nèi)徑側(cè)為壓力出口，其壓力為po=0.1 MPa、溫度為To=300 K(環(huán)境溫度)；潤(rùn)滑膜外徑側(cè)為壓力進(jìn)口，其壓力為密封介質(zhì)壓力；壓力進(jìn)出口邊界的初始汽相體積分?jǐn)?shù)均設(shè)為零。

由于潤(rùn)滑膜厚度僅為微米級(jí)，故近似假設(shè)潤(rùn)滑膜與動(dòng)靜環(huán)端面具有相同的對(duì)流傳熱系數(shù)，可由如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[25]：

(7)

式中：αfr、αfs分別為潤(rùn)滑膜與動(dòng)環(huán)端面和靜環(huán)端面的對(duì)流傳熱系數(shù)；Lc為密封間隙流體的特征長(zhǎng)度，m；uf為密封間隙流體的周向平均速度，m/s；Pr為普朗特?cái)?shù)；λf為流體熱導(dǎo)率，W/(m·K)；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)本文模型設(shè)置的正確性，采用本文模擬方法分析文獻(xiàn)[20]中雙列螺旋槽液膜密封介質(zhì)溫度對(duì)平均氣相體積分?jǐn)?shù)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，本文模擬方法得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[20]結(jié)果較吻合。但也能看出兩者的計(jì)算結(jié)果還存在些許不同，其原因主要是文獻(xiàn)[20]作了液膜區(qū)等溫假設(shè)，而密封間隙流體內(nèi)摩擦導(dǎo)致潤(rùn)滑膜升溫是必然的，未考慮水的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系將導(dǎo)致忽略潤(rùn)滑膜溫升對(duì)汽化的促進(jìn)作用，且密封介質(zhì)溫度越高，兩種方法所得到結(jié)果的差異越明顯；此外，未考慮黏溫關(guān)系將忽略溫升導(dǎo)致的黏度值減小，即膜壓計(jì)算值偏大和汽化程度偏低。

圖6 平均氣相體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of average vapor phase volume fraction simulation results

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 液膜汽化特性及密封性能隨介質(zhì)溫度的變化

密封端面潤(rùn)滑膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨介質(zhì)溫度的變化曲線見圖7。密封性能參數(shù)隨介質(zhì)溫度的變化曲線分別見圖8～圖10。轉(zhuǎn)速n為5000 r/min、不同介質(zhì)溫度下的潤(rùn)滑膜氣相分布云圖見圖11，其中潤(rùn)滑膜切面位置(即Z向位置)分別為z1=-3 μm、z2=-1.5 μm、z3=0、z4=4 μm、z5=7 μm和z6=10 μm(下同)。計(jì)算過(guò)程中密封介質(zhì)壓力為1.0 MPa。

圖7 平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨介質(zhì)溫度的變化Fig.7 Average vapor phase volume fraction varies with medium temperature

圖8 泄漏量隨介質(zhì)溫度的變化Fig.8 Leakage varies with medium temperature

圖9 開啟力隨介質(zhì)溫度的變化Fig.9 Open force varies with medium temperature

圖10 摩擦扭矩隨介質(zhì)溫度的變化Fig.10 Friction torque varies with medium temperature

(a)Ti=373 K (b)Ti=383 K (c)Ti=393 K

(d)Ti=403 K (e)Ti=423 K (f)Ti=433 K

由圖7可以看出，隨著介質(zhì)溫度的升高，平均氣相體積分?jǐn)?shù)先平穩(wěn)后增大，存在平均氣相體積分?jǐn)?shù)突增的臨界溫度值，且此溫度值及平均氣相體積分?jǐn)?shù)突增后的增速均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。從圖11中也可以看出，當(dāng)介質(zhì)溫度不高于383 K(圖11a、圖11b)時(shí)，液膜汽化程度低、汽化區(qū)域小，當(dāng)介質(zhì)溫度達(dá)到393 K及以上(圖11c～圖11f)時(shí)，汽化程度和區(qū)域迅速增大，由圖11e、圖11f可知，槽根與壩區(qū)交界處的平均氣相體積分?jǐn)?shù)已達(dá)到50%以上。這說(shuō)明溫度的升高會(huì)導(dǎo)致水的黏度減小、膜壓降低，而抑制汽化所需的膜壓升高，潤(rùn)滑膜低壓區(qū)迅速汽化；轉(zhuǎn)速的增大會(huì)導(dǎo)致膜壓升高，對(duì)汽化的抑制作用增強(qiáng)，使得突增點(diǎn)的溫度值增大。

由圖8～圖10可知，密封性能參數(shù)隨介質(zhì)溫度會(huì)產(chǎn)生比較明顯的變化。隨著介質(zhì)溫度的升高，泄漏量增大，開啟力和摩擦扭矩總體上均減小，僅當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500 r/min、溫度高于413 K時(shí)開啟力呈現(xiàn)出略為回升的趨勢(shì)；對(duì)照?qǐng)D7可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n≥5000 r/min時(shí)，密封的泄漏量、開啟力和摩擦扭矩均在平均氣相體積分?jǐn)?shù)突增的臨界溫度點(diǎn)出現(xiàn)了變化速率增大的現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)速越高該現(xiàn)象越明顯。分析認(rèn)為：當(dāng)介質(zhì)溫度升高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽化區(qū)域及平均氣相體積分?jǐn)?shù)均增大，潤(rùn)滑介質(zhì)黏度減小，泵送效應(yīng)減弱，膜壓降低，開啟力減小，同時(shí)流體摩阻減小，壓差流量增大，泄漏量增大，摩擦扭矩減小；而當(dāng)轉(zhuǎn)速較低、溫度較高時(shí)，潤(rùn)滑膜先行進(jìn)入汽化程度較高狀態(tài)，氣相膨脹受限使壓力升高，且開啟力開始出現(xiàn)回升的趨勢(shì)；在汽化臨界溫度值對(duì)應(yīng)點(diǎn)，平均氣相體積分?jǐn)?shù)迅速增大，導(dǎo)致黏度減小，膜壓降低，開啟力、摩擦扭矩迅速減小，泄漏量快速增大。

4.2 液膜汽化特性及密封性能隨介質(zhì)壓力的變化

當(dāng)轉(zhuǎn)速n為5000 r/min，介質(zhì)溫度Ti分別為373 K、403 K和423 K，介質(zhì)壓力pi在 0.2～2.0 MPa范圍內(nèi)時(shí)，密封端面潤(rùn)滑膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨介質(zhì)壓力的變化規(guī)律見圖12，密封性能參數(shù)隨介質(zhì)壓力的變化規(guī)律分別見圖13～圖15。

由圖12可以看出，介質(zhì)壓力的增大會(huì)使?jié)櫥て骄鶜庀囿w積分?jǐn)?shù)減小，且介質(zhì)溫度較高時(shí)上述現(xiàn)象更為明顯。分析認(rèn)為：介質(zhì)壓力的增大會(huì)導(dǎo)致膜壓增大，這在一定程度上抑制了潤(rùn)滑膜的汽化，而介質(zhì)溫度較高時(shí)汽化程度也較高，受介質(zhì)壓力變化的影響也大。

由圖13～圖15可以看出，介質(zhì)壓力增大時(shí)，泄漏量和開啟力均增大，在介質(zhì)溫度分別為403 K和423 K情況下摩擦扭矩也增大。這主要是因?yàn)榻橘|(zhì)壓力的增大導(dǎo)致壓差流量增大、潤(rùn)滑膜壓力增大，汽化受到了一定程度的抑制，潤(rùn)滑膜整體黏度也會(huì)有所增大，特別是介質(zhì)溫度較高時(shí)上述現(xiàn)象更加明顯。由圖15還可以看出，當(dāng)介質(zhì)溫度Ti為373 K時(shí)，隨著介質(zhì)壓力的增大，摩擦扭矩變化平緩且略有減小，與Ti較高時(shí)的情況相反。依據(jù)圖16可解釋上述現(xiàn)象。圖16為介質(zhì)溫度Ti為373 K，介質(zhì)壓力pi分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa時(shí)潤(rùn)滑膜靜環(huán)面的溫度分布云圖。由圖16和圖7可知，在此介質(zhì)溫度下潤(rùn)滑膜的汽化程度低，以液相為主，當(dāng)介質(zhì)壓力增大時(shí)，高溫壓差流量增大，低溫區(qū)域縮小，平均溫度升高，當(dāng)介質(zhì)壓力pi為0.5 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa時(shí)，潤(rùn)滑膜的平均溫度分別為349.33 K、354.00 K、357.09 K，故流體黏度減小，從而導(dǎo)致摩擦扭矩略有減小。

圖12 平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨介質(zhì)壓力的變化Fig.12 Average vapor phase volume fraction varies with different medium pressure

圖13 泄漏量隨介質(zhì)壓力的變化Fig.13 Leakage varies with different medium pressure

圖14 開啟力隨介質(zhì)壓力的變化Fig.14 Open force varies with different medium pressure

圖15 摩擦扭矩隨介質(zhì)壓力的變化Fig.15 Friction torque varies with different medium pressure

(a)pi=0.5 MPa (b)pi=1.0 MPa(c)pi=1.6 MPa圖16 Ti=373 K、n=5000 r/min時(shí)不同介質(zhì) 壓力下潤(rùn)滑膜的溫度分布云圖Fig.16 Cloud picture of temperature distribution of lubricating film under different medium pressure when Ti=373 K and n=5000 r/min

4.3 液膜汽化特性及密封性能隨轉(zhuǎn)速的變化

當(dāng)介質(zhì)壓力pi為1.0 MPa，介質(zhì)溫度Ti分別為373 K、393 K和413 K時(shí)，密封端面液膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律見圖17，密封性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律見圖18～圖20。當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為15 000 r/min和20 000 r/min，介質(zhì)溫度為373 K時(shí)的潤(rùn)滑膜氣相分布云圖見圖21。

圖17 平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.17 Average vapor phase volume fraction varies with different speed

圖19 開啟力隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.19 Open force varies with different speed

圖20 摩擦扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.20 Friction torque varies with different speed

(a)n=15 000 r/min

(b)n=20 000 r/min圖21 Ti=373 K時(shí)不同轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑膜的汽相 分布云圖Fig.21 Clould picture of vapor phase distribution of lubricating film under different rotating speed when Ti=373 K

由圖17可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速n<10 000 r/min時(shí)，潤(rùn)滑膜汽化程度受介質(zhì)溫度的影響很大，尤其是低轉(zhuǎn)速時(shí)隨著介質(zhì)溫度的升高汽化程度明顯提高，低轉(zhuǎn)速、介質(zhì)溫度為373 K時(shí)的汽化程度很低且當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至5000 r/min時(shí)潤(rùn)滑膜開始明顯產(chǎn)生汽化，介質(zhì)溫度分別為393 K和413 K時(shí)的汽化程度高但隨轉(zhuǎn)速增大而迅速降低，并在一定的轉(zhuǎn)速值下出現(xiàn)突變回升，突變對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨介質(zhì)溫度的升高而增大；轉(zhuǎn)速達(dá)到突變轉(zhuǎn)速值后，汽化程度隨轉(zhuǎn)速的增大而緩慢提高，此時(shí)介質(zhì)溫度對(duì)汽化的影響已不明顯。分析認(rèn)為：低轉(zhuǎn)速時(shí)膜壓較小，飽和溫度低，介質(zhì)易受溫升影響而產(chǎn)生汽化，轉(zhuǎn)速增大時(shí)泵送效應(yīng)和動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)并起主導(dǎo)作用，膜壓升高和低溫泵送流量增大產(chǎn)生的降溫效果使汽化受到了明顯的抑制，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后在內(nèi)摩擦效應(yīng)增強(qiáng)促進(jìn)汽化和膜壓升高抑制汽化的聯(lián)合作用下，使汽化程度呈現(xiàn)緩慢回升的趨勢(shì)，同時(shí)，相對(duì)于內(nèi)摩擦效應(yīng)和膜壓對(duì)汽化程度的較大影響，介質(zhì)溫度對(duì)汽化程度的影響減小。由圖17還可以看出，轉(zhuǎn)速達(dá)到15 000 r/min后，介質(zhì)溫度為373 K對(duì)應(yīng)的汽化程度再次出現(xiàn)下降趨勢(shì)。針對(duì)上述現(xiàn)象，由圖21可知，高轉(zhuǎn)速已使?jié)櫥は嘧儏^(qū)域擴(kuò)展到密封外徑側(cè)，除螺旋槽進(jìn)口局部區(qū)域外，潤(rùn)滑膜基本處于相變狀態(tài)，但高轉(zhuǎn)速使螺旋槽產(chǎn)生很強(qiáng)的泵送、動(dòng)壓效應(yīng)，如當(dāng)轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)最高膜壓達(dá)到了2.3 MPa，由水的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系可知，該膜壓下的汽化溫度已達(dá)到485 K左右，膜壓的增大已使水汽化所需的溫度達(dá)到了較高值，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至20 000 r/min時(shí)汽化程度出現(xiàn)了降低，即膜壓的顯著增大對(duì)汽化產(chǎn)生的抑制作用更加突出，同時(shí)說(shuō)明此時(shí)潤(rùn)滑膜升壓對(duì)汽化的抑制作用已強(qiáng)于內(nèi)摩擦效應(yīng)對(duì)汽化的促進(jìn)作用；此外，高轉(zhuǎn)速會(huì)使低壓區(qū)低溫泵送流量增大，膜溫局部降低，汽化程度也會(huì)降低。

由圖18～圖20可以看出，泄漏量隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，且達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后會(huì)出現(xiàn)負(fù)泄漏量，開啟力和摩擦扭矩均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；介質(zhì)溫度為413 K時(shí)，汽化程度較高，在低轉(zhuǎn)速段隨著轉(zhuǎn)速的增大，性能參數(shù)的變化速率較小，接近突變轉(zhuǎn)速時(shí)變化速率突然增大，到突變轉(zhuǎn)速后不同介質(zhì)溫度下性能參數(shù)的變化規(guī)律趨同，這說(shuō)明潤(rùn)滑膜平均氣相體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，介質(zhì)黏度小，在低速段因轉(zhuǎn)速增大而導(dǎo)致膜壓增大的幅度較小，對(duì)性能參數(shù)的影響也較小，當(dāng)接近突變轉(zhuǎn)速時(shí)，膜壓的增大已足以使大部分氣泡迅速潰滅，平均氣相體積分?jǐn)?shù)迅速減小，黏度增大，膜壓迅速增大，泄漏量迅速減小，摩擦扭矩迅速增大，從而導(dǎo)致潤(rùn)滑膜進(jìn)入低氣相體積分?jǐn)?shù)狀態(tài)。

4.4 介質(zhì)溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑膜汽相分布的影響關(guān)系

圖22為介質(zhì)壓力為0.5 MPa時(shí)低溫低速、高溫低速、低溫高速、高溫高速等4種工況下的潤(rùn)滑膜氣相分布云圖，本文將據(jù)此進(jìn)一步分析介質(zhì)溫度和轉(zhuǎn)速與潤(rùn)滑膜氣相分布特征的關(guān)系。由圖22和圖11可以看出，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，液膜汽化首先發(fā)生在螺旋槽背風(fēng)側(cè)堰區(qū)，且隨著介質(zhì)溫度的升高，汽化區(qū)域快速覆蓋整個(gè)槽堰區(qū)并向壩區(qū)推進(jìn)，介質(zhì)溫度的升高是潤(rùn)滑膜汽化程度加劇和汽化區(qū)域擴(kuò)大的主要因素；而轉(zhuǎn)速的增大因泵送效應(yīng)和動(dòng)壓效應(yīng)的增強(qiáng)，在對(duì)汽化產(chǎn)生一定抑制的同時(shí)，使?jié)櫥て嗟闹芟蚍植几泳鶆蚯腋咂瘏^(qū)域逐漸向外徑側(cè)移動(dòng)，除因低溫泵送流量增大而明顯降低汽化程度的槽區(qū)和潤(rùn)滑膜內(nèi)徑側(cè)之外，大部分區(qū)域的氣相體積分?jǐn)?shù)等值線呈現(xiàn)出密封環(huán)的同心圓；內(nèi)摩擦效應(yīng)因轉(zhuǎn)速增大而增強(qiáng)時(shí)會(huì)提高潤(rùn)滑膜溫度和汽化程度，但介質(zhì)溫度和汽化程度均較高時(shí)會(huì)因潤(rùn)滑膜整體黏度較小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速增大引起的內(nèi)摩擦效應(yīng)對(duì)溫升及汽化的影響減弱，即內(nèi)摩擦效應(yīng)對(duì)提高潤(rùn)滑膜溫度和汽化程度的增幅減小(圖22b、圖22d)，反之，介質(zhì)溫度和汽化程度均較低時(shí)轉(zhuǎn)速增大引起的內(nèi)摩擦效應(yīng)對(duì)溫升及汽化的影響增強(qiáng)，即內(nèi)摩擦效應(yīng)對(duì)提高潤(rùn)滑膜溫度和汽化程度的增幅增大(圖22a、圖22c)。從汽化角度看，介質(zhì)溫度的高低是相對(duì)于一定轉(zhuǎn)速而言的，由圖23可以看出，393 K的介質(zhì)溫度對(duì)于1500 r/min而言已屬較高溫度，此時(shí)在槽堰區(qū)內(nèi)徑側(cè)已出現(xiàn)了明顯汽化的現(xiàn)象，而對(duì)于較高轉(zhuǎn)速5000 r/min而言，393 K的介質(zhì)溫度則屬較低溫度，故潤(rùn)滑膜僅在堰區(qū)出現(xiàn)了程度很低的局部汽化區(qū)域。

(a)Ti=373 K，n=3000 r/min

(b)Ti=423 K，n=3000 r/min

(c)Ti=373 K，n=10 000 r/min

(d)Ti=423 K，n=10 000 r/min圖22 四工況下潤(rùn)滑膜氣相分布云圖Fig.22 Vapor phase distribution of lubrication film under four working conditions

(a)n=1500 r/min

(b)n=5000 r/min圖23 Ti=393 K時(shí)不同轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑膜的氣相 分布云圖Fig.23 Clould picture of vapor phase distribution of lubrication film under different rotating speed when Ti=393 K

5 結(jié)論

(1)隨著介質(zhì)溫度的升高，平均氣相體積分?jǐn)?shù)先平穩(wěn)變化后增大，存在平均氣相體積分?jǐn)?shù)突增的臨界溫度值，且此溫度值及平均氣相體積分?jǐn)?shù)突增后的增速均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；隨著介質(zhì)壓力的增大，平均氣相體積分?jǐn)?shù)減小且介質(zhì)溫度越高減小速率越大；低轉(zhuǎn)速時(shí)平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨介質(zhì)溫度的升高而顯著增大，但高平均氣相體積分?jǐn)?shù)易因轉(zhuǎn)速增大、膜壓增大、汽泡潰滅而迅速減小，至某轉(zhuǎn)速值到達(dá)最低點(diǎn)并開始回升，回升轉(zhuǎn)速值隨介質(zhì)溫度的升高而增大，回升后平均氣相體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的增大而緩慢增大且介質(zhì)溫度的影響明顯減弱，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至一定數(shù)值后，平均氣相體積分?jǐn)?shù)會(huì)再次出現(xiàn)略有減小的趨勢(shì)。

(2)密封性能受工況參數(shù)的影響明顯。介質(zhì)溫度升高時(shí)，泄漏量增大，開啟力和摩擦扭矩總體上均減小，僅當(dāng)轉(zhuǎn)速低于5000 r/min、溫度高于413 K時(shí)開啟力呈現(xiàn)出略為回升的趨勢(shì)；在汽化臨界溫度值對(duì)應(yīng)點(diǎn)因平均氣相體積分?jǐn)?shù)迅速增大會(huì)導(dǎo)致性能參數(shù)隨溫度變化的速率迅速增大。介質(zhì)壓力增大時(shí)，泄漏量和開啟力均增大，在高介質(zhì)溫度下摩擦扭矩也增大，而對(duì)于低介質(zhì)溫度，因潤(rùn)滑膜汽化程度低且以液相為主，介質(zhì)壓力的增大導(dǎo)致高溫壓差流量增大、低溫區(qū)域縮小、平均溫度升高，流體黏度減小，摩擦扭矩變化平緩且略有減小。轉(zhuǎn)速增大時(shí)泄漏量減小，開啟力和摩擦扭矩增大，汽化程度較高(如溫度為413 K)時(shí)，在接近汽化突變轉(zhuǎn)速處會(huì)出現(xiàn)因汽泡迅速潰滅而使性能參數(shù)變化速率突然增大的現(xiàn)象。

(3)液膜汽化首先發(fā)生在螺旋槽背風(fēng)側(cè)堰區(qū)，且隨著介質(zhì)溫度的升高，汽化區(qū)域快速覆蓋整個(gè)槽堰區(qū)并向壩區(qū)推進(jìn)；轉(zhuǎn)速的增大在對(duì)汽化產(chǎn)生一定抑制作用的同時(shí)，會(huì)使?jié)櫥庀嗟闹芟蚍植几泳鶆蚯腋咂瘏^(qū)域會(huì)向外徑側(cè)移動(dòng)；內(nèi)摩擦效應(yīng)因轉(zhuǎn)速增大而增強(qiáng)時(shí)會(huì)提高潤(rùn)滑膜溫度和汽化程度，但介質(zhì)溫度和汽化程度均較高時(shí)轉(zhuǎn)速增大引起的內(nèi)摩擦效應(yīng)對(duì)溫升及汽化的影響較弱，介質(zhì)溫度和汽化程度均較低時(shí)這種影響增強(qiáng)；從汽化角度看，介質(zhì)溫度的高低是相對(duì)于一定轉(zhuǎn)速而言的。