柔性絲刷式密封傳熱特性的數(shù)值分析與試驗(yàn)研究*

李雙喜，馬鈺虎，張山雨，沙廉翔，陳坤毅，廖浩然

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，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接觸式柔性動密封裝置，已廣泛運(yùn)用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。刷式密封獨(dú)特的柔性刷絲可以很好地適應(yīng)轉(zhuǎn)子的徑向跳動，在改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)也提高了機(jī)組效率[1]。

刷式密封常用的刷絲材料多為鈷基、鎳基高溫合金材料[2-4]，金屬刷絲與轉(zhuǎn)子之間高強(qiáng)度的摩擦?xí)姑芊馇粌?nèi)溫度升高、并產(chǎn)生局部高溫。隨著密封技術(shù)的發(fā)展，刷式密封開始選用一些非金屬刷絲材料，可以降低刷封整體重量以及刷絲和轉(zhuǎn)子的摩擦磨損。刷絲摩擦生熱造成的密封腔溫升和局部高溫，以及熱量進(jìn)入軸承腔會嚴(yán)重降低機(jī)組性能，故對柔性絲刷式密封的摩擦生熱特性、傳熱特性和對軸承腔體隔熱特性的研究尤為重要。

許多學(xué)者[5-10]對刷式密封傳熱特性進(jìn)行了大量研究。PEKRIS等[11]對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和環(huán)形平衡腔結(jié)構(gòu)刷式密封的泄漏和傳熱特性進(jìn)行了對比研究，證明了環(huán)形平衡腔結(jié)構(gòu)刷式密封的優(yōu)異性能；OWEN等[12]通過試驗(yàn)對刷絲、密封流體和轉(zhuǎn)子之間的熱量傳遞特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值模擬了刷絲和轉(zhuǎn)子的溫度分布；DOGU和AKSIT[13]通過添加熱流量對刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱進(jìn)行了表征，數(shù)值分析了刷式密封的溫度分布；孫丹等[14]基于三維實(shí)體建立了刷式密封傳熱模型，數(shù)值分析了一些參數(shù)對刷絲最高溫度的影響規(guī)律。

前人研究的多為金屬絲刷式密封，對非金屬絲刷式密封研究較少，且更缺乏對生熱、傳熱和對軸承腔體隔熱性能的綜合研究。

筆者采用碳纖維刷絲，提出一種大過盈柔性絲刷式密封結(jié)構(gòu)；建立碳纖維刷式密封和金屬絲刷式密封CFD多孔介質(zhì)數(shù)值模型，首次采用兩段柔性刷絲變阻力參數(shù)設(shè)置，并結(jié)合試驗(yàn)，對碳纖維刷式密封的摩擦生熱、沿?fù)醢鍌鳠岷蛯S承腔體的隔熱性能進(jìn)行全面研究。

1 大過盈柔性絲刷式密封結(jié)構(gòu)

柔性絲刷式密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性絲刷式密封結(jié)構(gòu)D-密封直徑；D1-前板內(nèi)徑；D2-后板內(nèi)徑；D3-密封外徑；hf-前板間隙；hb-后板間隙；s-刷絲過盈量；B1-前板厚度；B2-后板厚度；B-刷絲厚度

圖1中，柔性絲刷式密封包括前擋板、后擋板和碳纖維刷絲，兩擋板通過過盈配合固定住刷絲，刷絲與轉(zhuǎn)子接觸形成兩段密封界面，即垂直轉(zhuǎn)子段刷絲和平行轉(zhuǎn)子段刷絲。

刷式密封工作過程中多個部位進(jìn)行摩擦生熱，但主要熱源是刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱。摩擦熱會使刷封產(chǎn)生局部高溫區(qū)，影響刷絲和轉(zhuǎn)子性能，熱量沿刷封出口傳至軸承腔體，會影響機(jī)組工作性能。

2 數(shù)值方法

筆者選取多孔介質(zhì)模型對刷式密封的傳熱特性進(jìn)行了分析預(yù)測，即將刷束區(qū)當(dāng)成多孔介質(zhì)來處理。刷式密封的流體區(qū)域就分為高、低壓側(cè)的普通流體區(qū)和處理成多孔介質(zhì)的刷束區(qū)。

普通流體為可壓縮的紊流流動，結(jié)合連續(xù)性方程和動量方程進(jìn)行求解，如下式所示：

(1)

(2)

刷束區(qū)會對流經(jīng)其內(nèi)部的流體產(chǎn)生阻礙作用，需添加阻力源項(xiàng)對動量方程進(jìn)行修正，如下式所示：

(3)

(4)

式中：Fi—刷束區(qū)阻力源項(xiàng)；Dij—黏性阻力系數(shù)矩陣；Cij—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一般根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推出，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[15]，如下式所示：

(5)

(6)

式中：z，n，m—沿軸向、刷絲周向以及徑向的阻力系數(shù)；d—刷絲直徑；ε—孔隙率。

當(dāng)刷絲排布無徑向傾斜角時(shí)，可由經(jīng)驗(yàn)公式求得刷束的孔隙率，如下式所示：

(7)

式中：d—刷絲直徑；N—刷絲排列密度；L—刷束厚度。

流體經(jīng)過刷束區(qū)會發(fā)生壓力降，故泄漏流體選擇理想的可壓縮氣體，如下式所示：

p=RTρ

(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)。

將刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱Q處理成繞轉(zhuǎn)子表面的環(huán)形熱源，并通過在摩擦面添加熱流密度q進(jìn)行表征，如下式所示：

Q=Ff·V=μ·Fn·V

(9)

q=Q·S

(10)

式中：Ff—刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦力；Fn—刷絲與轉(zhuǎn)子的法向接觸力；μ—摩擦系數(shù)；V—轉(zhuǎn)子表面線轉(zhuǎn)速；S—摩擦面面積。

3 計(jì)算模型

3.1 大過盈柔性絲刷式密封計(jì)算模型

柔性絲刷式密封、刷封內(nèi)部流體及刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦熱源均在圓周上呈軸對稱結(jié)構(gòu)。故進(jìn)行柔性絲刷式密封傳熱特性數(shù)值分析時(shí)，筆者選取圓周方向上1°的模型進(jìn)行計(jì)算，在保證計(jì)算準(zhǔn)確的同時(shí)也可降低計(jì)算成本。

柔性絲刷式密封網(wǎng)格劃分前后模型如圖2所示。

圖2 柔性絲刷式密封模型

為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，筆者對刷束區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，刷束區(qū)用線框標(biāo)明。

柔性絲刷式密封傳熱特性數(shù)值計(jì)算的幾何參數(shù)取值如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

大過盈柔性刷絲布置如圖3所示。

圖3 刷絲布置圖

平行轉(zhuǎn)子段刷絲在理想狀態(tài)緊密排布和實(shí)際散列排布時(shí)的關(guān)系如下式所示：

(11)

式中：ε1—平行段刷束緊密排布孔隙率，即為垂直段刷束孔隙率；ε2—平行段刷束散列排布孔隙率；V1—平行段刷束區(qū)緊密排布體積；V2—平行段刷束區(qū)散列排布體積。

當(dāng)計(jì)算域選取角度較小時(shí)，可忽略旋轉(zhuǎn)時(shí)造成的弧度體積誤差，此時(shí)有：

(12)

式中：A1—平行段刷束區(qū)緊密排布面積；A2—平行段刷束區(qū)散列排布面積。

筆者對兩段刷束的孔隙率和阻力系數(shù)按照各自相應(yīng)的阻力方向進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)在摩擦界面添加環(huán)形熱流密度表征摩擦熱源，按式(9，10)計(jì)算，其中，摩擦力通過試驗(yàn)測量。

3.2 傳統(tǒng)徑向金屬絲刷式密封計(jì)算模型

為了直觀、準(zhǔn)確地進(jìn)行對比，除大過盈刷絲特征外，保證金屬絲刷式密封其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與柔性絲刷式密封一樣。筆者也在圓周方向上選取1°的模型進(jìn)行計(jì)算。

金屬絲刷式密封模型、網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 金屬絲刷式密封模型

筆者同樣對刷束區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，根據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算出金屬絲刷式密封摩擦面環(huán)形熱流密度表征其摩擦熱。

柔性絲和金屬絲刷式密封模型具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)尺寸

3.3 邊界條件

筆者使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。普通流體域采用k-ε紊流模型，刷束區(qū)采用多孔介質(zhì)模型，并選擇層流模型；模型沿1°的切面設(shè)為周期性邊界，與轉(zhuǎn)子接觸的壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，在刷絲與轉(zhuǎn)子接觸壁面上添加熱流密度表征摩擦熱，采用壓力基進(jìn)出口壁面；并根據(jù)所需工況設(shè)置壓力轉(zhuǎn)速和溫度。

工況條件具體取值設(shè)置如表3所示。

表3 邊界條件

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 溫度場分析

此處柔性絲選用碳纖維絲，金屬絲選擇haynes25材料，并對兩種刷式密封進(jìn)行溫度場分析；根據(jù)溫度場提取刷封最高溫和擋板平均溫度，預(yù)測兩種刷式密封的摩擦生熱性能和傳熱性能。

刷絲和擋板材料屬性如表4所示。

表4 材料屬性表

20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下兩種刷式密封的溫度分布如圖5所示。

圖5 溫度云圖

圖5(a)中，由于刷絲和擋板接觸緊密且碳纖維導(dǎo)熱性能好，使熱源處大部分熱量先傳入刷束然后再傳遞至擋板，且遠(yuǎn)離熱源處的刷束和擋板無明顯溫度梯度；熱源處剩余熱量通過泄漏流體攜帶，傳至下游區(qū)，說明泄漏流體對刷封有一定的冷卻作用。

上游流體主要靠擋板傳遞熱量，而下游流體靠擋板和高溫泄漏流體共同傳熱，故下游流體平均溫度比上游流體高。

圖5(b)中，金屬絲刷式密封溫度云圖與碳纖維刷式密封近似相同。由于金屬絲導(dǎo)熱性低于碳纖維絲，金屬絲刷式密封由熱源向擋板的溫度梯度明顯較大，沿?fù)醢宓臒醾鬟f效率較低，熱流量主要通過泄漏流體傳遞至低壓側(cè)軸承腔體，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)性能。

壓差ΔP對摩擦生熱和熱量沿?fù)醢迳嵝阅艿挠绊懬€如圖6所示。

圖6 壓差對摩擦生熱和散熱性能的影響

由圖6(a)可知，刷式密封最高溫Th隨著壓差ΔP的增大逐漸降低，壓差增大時(shí)泄漏量升高，從而攜帶出更多的熱量，進(jìn)一步驗(yàn)證了泄漏流體的冷卻作用；碳纖維刷式密封摩擦生熱要遠(yuǎn)低于金屬絲刷式密封，因?yàn)槠渖鸁峄鶖?shù)較小，最高溫隨壓差的變化幅度也低于金屬絲刷式密封。

圖6(b)中，因?yàn)樾孤┝黧w的冷卻作用，擋板平均溫度Ta隨著壓差ΔP增大逐漸降低；碳纖維刷封擋板溫度總體低于金屬絲刷封，且大壓差時(shí)擋板溫度逐漸接近，因?yàn)殡S著壓差的增大，金屬絲刷封泄漏流更大，冷卻作用更明顯，其擋板溫度逐漸接近碳纖維刷封擋板。

從圖6(a，b)中可知，金屬絲刷封最高溫和擋板溫度隨壓差變化幅度較大，故其溫度比隨壓差的增大也較碳纖維刷封更明顯。

通過擋板平均溫度與刷封最高溫的比值Tr可用來反映刷封沿?fù)醢鍌鬟f熱量的能力。如圖6(c)所示，碳纖維刷式密封的溫度比高于金屬絲刷封，故其沿?fù)醢宓膫鳠崮芰^高，能有效降低刷封的局部過熱，降低“高溫區(qū)”溫度。

4.2 熱流量分析

筆者通過對比壓差ΔP、進(jìn)口溫度Tj、轉(zhuǎn)速N、前板間隙hf、后板間隙hb、刷束厚度B對兩種刷式密封出口熱流量Φ的影響，分析不同工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)對刷式密封隔熱性能(阻擋熱量進(jìn)入軸承腔體的能力)的影響。

6種參數(shù)對熱流量的影響如圖7所示。

圖7(a)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速時(shí)熱流量隨壓差的變化曲線。隨著壓差的增大，攜帶熱量的泄漏流體增大，故出口熱流量逐漸增大；碳纖維刷式密封出口熱流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬絲刷封，且最小時(shí)僅為金屬絲刷封的17%左右，能有效地降低熱量向軸承腔體的傳遞。

圖7(b)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下熱流量隨進(jìn)口溫度的變化曲線。隨著進(jìn)口溫度的增加，泄漏流體攜帶的熱量增加，故出口熱流量逐漸增大。因?yàn)樘祭w維刷封沿?fù)醢宓纳崮芰^強(qiáng)，泄漏流將攜帶更少的熱量，其出口熱流量隨進(jìn)口溫度的變化幅度小于金屬絲刷封；且碳纖維刷封出口熱流量遠(yuǎn)低于金屬絲刷封。

圖7(c)為選取20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下的固定熱源，單因素分析轉(zhuǎn)速對出口熱流量的影響曲線。由圖可知，碳纖維刷封出口熱流量遠(yuǎn)低于金屬絲刷封。隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子表面線速度增大，流體和刷絲以及擋板間的換熱效率提高，攜帶的熱量增多；但轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)泄漏量降低，攜帶熱量的流體減少，二者共同作用決定了出口的熱流量。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對熱流量的影響

由圖7(c)中，碳纖維刷封熱流量曲線可知，轉(zhuǎn)速增大前期，換熱效率增大為熱流量變化的主要影響因素，出口熱流量增加；轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，換熱逐漸達(dá)到峰值，而泄漏量仍在降低，故出口熱流量開始下降；轉(zhuǎn)速再增加時(shí)，對泄漏量的影響越來越小，故熱流量逐漸趨于穩(wěn)定。兩種刷封熱流量變化趨勢相同，但金屬絲刷封熱流量升高的轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～30 000 r·min-1，碳纖維刷封為0～15 000 r·min-1，故碳纖維刷封熱流量受轉(zhuǎn)速的影響更小，在高轉(zhuǎn)速時(shí)隔熱性能更好。

圖7(d)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下熱流量隨前板間隙的變化曲線。碳纖維刷封出口熱流量遠(yuǎn)低于金屬絲刷封。隨著前板間隙的增大，泄漏量增大，導(dǎo)致出口熱流量增大；碳纖維刷束區(qū)阻力大于金屬絲刷束，故其出口熱流量隨前板間隙的變化幅度較小，對阻止熱量傳入軸承腔體的能力更佳。

圖7(e)為20 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，100 kPa壓差下熱流量隨后板間隙的影響曲線。碳纖維刷封出口熱流量遠(yuǎn)低于金屬絲刷封。后板間隙增大使得泄漏量增大，從而導(dǎo)致出口熱流量逐漸增大。結(jié)合圖7(d)可知，碳纖維刷式密封后板間隙對出口熱流量的影響程度要大于前板間隙，故考慮隔熱性能時(shí)，后板間隙的選擇需更加慎重。

圖7(f)為100 kPa壓差，無熱流密度時(shí)的熱流量變化曲線。刷束厚度增加，摩擦生熱也相應(yīng)增加，因此在不考慮熱源情況下對刷束厚度對隔熱性能的影響進(jìn)行單因素分析。碳纖維絲較金屬絲剛度低，刷束厚度較小時(shí)，刷絲容易被吹起。本文碳纖維刷式密封數(shù)值模型是在考慮刷絲吹起的基礎(chǔ)上建立的，故刷束厚度小的時(shí)候，碳纖維刷封的泄漏量和熱流量均較大。隨著刷束厚度的增大，碳纖維刷束整體剛度提高，吹起狀態(tài)減弱，其阻漏、阻熱性能提高，熱流量逐漸降低。故碳纖維刷封熱流量隨刷束厚度的變化而變化的幅度較大。

圖7(f)中，碳纖維刷封熱流量在0.6 mm刷束厚度時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，再增加刷束厚度只會徒增摩擦生熱，故該模型中碳纖維刷束取0.6 mm時(shí)刷封性能最好；且穩(wěn)定后的碳纖維刷封熱流量較低，隔熱性能更好。

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 碳纖維刷式密封摩擦力測量試驗(yàn)

摩擦力測量試驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 摩擦力測量試驗(yàn)

圖8中，試驗(yàn)裝置包括碳纖維刷式密封試驗(yàn)件、跑道、試驗(yàn)輔助裝置和高精度測力計(jì)；跑道固定并安裝試驗(yàn)件，用測力計(jì)通過輔助裝置緩慢拉動刷封至均勻轉(zhuǎn)動，讀取拉力，并根據(jù)力學(xué)知識計(jì)算得出摩擦力。

試驗(yàn)測得拉力以及相應(yīng)的試驗(yàn)件摩擦力如表5所示。

表5 測量結(jié)果

5.2 碳纖維刷式密封摩擦生熱試驗(yàn)

5.2.1 試驗(yàn)裝置

摩擦生熱試驗(yàn)臺主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、試驗(yàn)腔體系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)裝置

圖9中，電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供動力，并通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)所需工作轉(zhuǎn)速；進(jìn)排氣系統(tǒng)給試驗(yàn)提供高壓氣體，并通過調(diào)壓裝置得到所需工作壓力。

試驗(yàn)腔體系統(tǒng)包括高低壓腔體、跑道、刷式密封，是試驗(yàn)的主要裝置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力表、流量計(jì)和連接在刷封擋板上的熱電偶，對試驗(yàn)中的壓力、泄漏和擋板溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

5.2.2 試驗(yàn)件

試驗(yàn)用碳纖維刷式密封刷絲材料選用碳纖維絲，擋板選用S30408材料，如圖10所示。

圖10 刷式密封實(shí)物圖

試驗(yàn)測量不同轉(zhuǎn)速下的擋板溫度，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。

表6 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

在50 kPa壓差下，轉(zhuǎn)速N對擋板平均溫Ta和刷封最高溫Th的影響曲線如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的擋板溫度和刷封最高溫

由圖11可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，擋板溫度和刷封最高溫均逐漸增大；擋板溫度的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果變化趨勢近似一致，且最大誤差為9.4%，可以證明數(shù)值模擬的正確性；

由數(shù)值計(jì)算得到的刷封最高溫曲線可知，轉(zhuǎn)速為15 000 r·min-1時(shí)，最高溫約87 ℃，相比于傳統(tǒng)金屬絲刷式密封溫升較低，可見碳纖維刷式密封傳熱性能的優(yōu)越性。

試驗(yàn)后的刷封和跑道如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)后試驗(yàn)件

由圖12可知，刷絲在試驗(yàn)后仍緊密均勻地排列，跑道磨痕輕微，可見碳纖維刷式密封具有良好的工作穩(wěn)定性和持久的工作壽命。

6 結(jié)束語

筆者通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究證明了新型大過盈碳纖維刷式密封具有優(yōu)越的性能；同時(shí)，得到以下結(jié)論：

(1)碳纖維刷式密封摩擦生熱低于金屬絲刷式密封，且碳纖維刷絲與擋板傳熱效率高于金屬絲，能有效降低密封腔的溫升，緩解刷封的局部過熱；

(2)不同工況和結(jié)構(gòu)下的碳纖維刷式密封出口熱流量均遠(yuǎn)低于金屬絲刷式密封，能有效減少熱量向低壓側(cè)軸承腔體的傳遞，保證機(jī)組性能；

(3)大壓差和高溫工況下碳纖維刷封出口熱流量升高，反之則降低，增大刷束厚度或降低前板間隙、后板間隙會降低熱量向軸承腔體的傳遞；

(4)轉(zhuǎn)速通過影響換熱效率和泄漏量，對出口熱流量有雙向影響，碳纖維刷式密封熱流量升高的轉(zhuǎn)速區(qū)間較小，更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。泄漏流攜帶的熱量是刷封出口處傳熱的主要來源；

(5)擋板溫度的試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果變化趨勢一致，最大誤差為9.4%，證明數(shù)值模擬是準(zhǔn)確的。