柱面氣膜密封鼓泡型支承結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

趙超越，劉美紅，孫軍鋒，韋邱發(fā)，許冬偉

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

目前，柱面氣膜密封作為一種新型的、微米級氣膜薄膜潤滑的非接觸式干氣密封[1]，區(qū)別于端面氣膜密封獨(dú)特的柔性支承結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在航空燃?xì)廨喼?，用來?yīng)對其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)劇烈振動和熱力變形[2]，實現(xiàn)密封副之間的非接觸，對降低航空燃?xì)廨啓C(jī)油耗損失有一定的重要意義。

柱面氣膜密封相比于端面氣膜密封的優(yōu)勢在于具有較強(qiáng)的柔性浮動性，允許更大的徑向位移，但氣膜薄膜一般只有幾微米，即使在氣膜剛度很大的情況下也無法應(yīng)對轉(zhuǎn)軸幾毫米的徑向擺動，所以應(yīng)合理選用柱面氣膜密封的柔性支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離保護(hù)，避免密封軸與浮環(huán)密封表面因摩擦接觸而失效。自從1994 年首次提出柱面氣膜密封的概念以來，研究人員嘗試了多種柔性支承結(jié)構(gòu)，以柔順箔、金屬橡膠、波箔等比較典型，都取得了一定的成果[3]，但也都存在一定的局限性，定量設(shè)計難度都比較大，沒有推廣應(yīng)用。柔性支承結(jié)構(gòu)在柱面氣膜密封中是不可或缺的一部分，對柔性支承材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計是柱面氣膜密封研究亟待解決的問題。本文以箔片動壓徑向氣體軸承作為參考來設(shè)計柱面氣膜密封新型柔性支承結(jié)構(gòu)。柔性箔片氣體軸承常用柔性金屬平箔作為內(nèi)表面，可以采用多種形式底層柔性支承結(jié)構(gòu)為軸承提供一定的形變量[4]。本文采用一種帶有鼓泡型箔片的柔性支承結(jié)構(gòu)，探索作為柱面氣膜密封柔性支承的可行性。針對鼓泡型箔片動壓徑向氣體軸承，國內(nèi)外學(xué)者先后做了多項研究工作。鼓泡型箔片動壓徑向氣體軸承是由西安交通大學(xué)在本世紀(jì)初最先提出[5]。侯予[6]等提出了單層鼓泡型箔片軸承并對其進(jìn)行了理論分析和實驗研究，研究表明，此結(jié)構(gòu)有較大的支承剛度和承載能力；盧攀[7]等在不考慮頂層平箔片變形的情況下，分析了單個鼓泡尺寸變化對其支承剛度的影響；賴天偉[8]等提出了采用兩層或多層鼓泡箔片作為柔性支承結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)整和改善彈性箔片軸承的剛度和阻尼特性；陳汝剛[9]等提出了以彈性鼓泡支承的新型波箔結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有良好的阻尼特性，能夠滿足微小型高速透平穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。鼓泡箔片動壓氣體軸承具有優(yōu)良的性能，自適應(yīng)性更強(qiáng)，且具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便以及適應(yīng)工作溫度的范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[10]，所以本文將其作為參考來設(shè)計柱面氣膜密封鼓泡型柔性支承結(jié)構(gòu)。

針對鼓泡型柔性箔片這種支承結(jié)構(gòu)，通過仿真分析，獲得鼓泡高度、半徑以及平箔箔片厚度對其力學(xué)性能的影響，得到平箔片和鼓泡箔片的最大等效應(yīng)力及變形情況，并對結(jié)構(gòu)變形的結(jié)果作相應(yīng)分析。

1 模型參數(shù)定義

1.1 模型結(jié)構(gòu)

鼓泡型柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由轉(zhuǎn)軸、軸套（動環(huán)）、浮環(huán)（平箔）以及鼓泡箔片等組成。在轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動下，帶動軸套同步轉(zhuǎn)動，因軸套外表面開設(shè)槽深為10 μm 的T 型槽以及軸套與浮環(huán)偏心結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式，在其間隙處會因流體動壓效應(yīng)形成一層微米級別的氣膜薄膜，氣膜產(chǎn)生一定的流體動壓力使軸套和浮環(huán)相互分離。鼓泡箔片置于浮環(huán)的外側(cè)，與浮環(huán)相接觸，用以緩沖轉(zhuǎn)軸因轉(zhuǎn)速過大產(chǎn)生徑向位移時動環(huán)與浮環(huán)發(fā)生碰撞。

圖1 鼓泡型柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bubble-type flexible support cylindrical gas film seal structure

1.2 參數(shù)定義

密封介質(zhì)為空氣，本文采用的槽型見圖2 所示，具體參數(shù)設(shè)置見表1 所示。

表1 柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Cylindrical gas film seal structure parameters

圖2 T 型槽柱面氣膜展開圖Fig.2 The expansion view of T-groove cylindrical gas film seal

本文所采用的槽型為T 型槽，這種槽型在非接觸式柱面氣膜密封中具有一定的動壓效應(yīng)和正反轉(zhuǎn)工作能力，其槽型結(jié)構(gòu)也是對稱布置。

2 流固耦合模型建立

2.1 參數(shù)化建模

建立T 型槽柱面氣膜密封的動環(huán)和靜環(huán)，其中氣膜密封動環(huán)外表面開有槽深10 μm 的T 型槽。T 型槽氣膜模型如圖3 所示，鼓泡模型如圖4 所示。

圖3 T 型槽氣膜模型Fig.3 T-groove gas film model

圖4 鼓泡模型的建立Fig.4 Establishment of blister foil model

柔性支承結(jié)構(gòu)主要由3 行16 列相同的鼓泡、鼓泡箔片以及平箔片構(gòu)成。其鼓泡箔片局部模型示意圖如圖5 所示，參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 鼓泡型箔片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of bubbling foil

圖5 柱面氣膜密封鼓泡型柔性支承結(jié)構(gòu)Fig.5 Cylindrical gas film seal bubble type flexible supporting structure

2.2 網(wǎng)格劃分

本模型的網(wǎng)格劃分需考慮和解決下面幾個問題：（1）交界面上的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)的位置非常重要。在計算過程中，畫網(wǎng)格的時候，流體交界面和固體交界面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置盡量畫得相近，保證計算精度。本文采用共型的網(wǎng)格，流體交界面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置和固體交界面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置是一模一樣的，提高計算精度；（2）柱面氣膜模型橫縱尺寸跨度較大，縱向尺寸達(dá)到毫米級，而氣膜橫向尺寸僅有微米級，需要分塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。綜上，本文采用專業(yè)前處理網(wǎng)格劃分軟件ANSA，分別對流體域和柔性支承固體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后的流體域網(wǎng)格數(shù)235 682，固體域網(wǎng)格數(shù)572 480，網(wǎng)格類型均是正交性較好的六面體網(wǎng)格。如圖6—圖8 所示。

圖6 T 型槽網(wǎng)格模型Fig.6 Mesh in film of T-groove ring seal

圖7 流固共型網(wǎng)格Fig.7 Fluid-solid common mesh

圖8 單個鼓泡網(wǎng)格Fig.8 Single bubble mesh

2.3 計算模型假設(shè)

（1）假設(shè)動環(huán)和靜環(huán)楔形間隙中流體氣膜符合牛頓粘性定律的連續(xù)介質(zhì)；

（2）氣膜與動環(huán)和靜環(huán)表面無相對滑動，符合無邊界滑移條件；

（3）氣膜運(yùn)行穩(wěn)定，無擾動及振動；

（4）動環(huán)和靜環(huán)在運(yùn)行過程中無壓力變形和熱變形；

（5）忽略氣膜慣性力和體積力；

（6）只考慮靜環(huán)的變形與偏轉(zhuǎn)，忽略動環(huán)的。

2.4 設(shè)置邊界條件

（1）流體域內(nèi)表面：設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度，模擬軸的轉(zhuǎn)動；

（2）流體域外壁面：這部分是與柔性支承固體接觸的FSI 界面，為無滑移壁面條件；

（3）流體域一側(cè)inlet 為端面入口，設(shè)置邊界條件為壓力入口；

（4）流體域另一側(cè)outlet 為端面出口，設(shè)置邊界條件為壓力出口；

（5）平箔內(nèi)壁面，即與流體域外壁面相重合的一面，設(shè)定為流固耦合面；

（6）鼓泡結(jié)構(gòu)與平箔相接觸，將鼓泡與平箔接觸區(qū)設(shè)置為接觸約束，鼓泡的另一端面設(shè)置為固定壁面。

2.5 求解設(shè)置

在ANSYS Workbench 平臺中，分別建立Fluent 模塊和Static Structure 固體模塊，將Fluent模塊計算壓力結(jié)果作為載荷加載到固體域計算機(jī)幾何上。流體分析設(shè)置中，采用基于壓力求解，選用SIMPLEC 壓力修正法來定義分離求解器。

2.6 設(shè)定網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗

如圖9 所示，平均氣膜厚度為10 μm 的柱面氣膜密封浮升力、泄漏量隨劃分網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢。隨著劃分網(wǎng)格數(shù)量的增加，浮升力、泄漏量都經(jīng)歷了先增大，后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。在網(wǎng)格數(shù)量從23 萬增加到90 萬的過程中，氣膜浮升力從3 441 N 精確到3 451 N，泄漏量從2.37×10-5kg/s 精確到2.38×10-5kg/s，其運(yùn)算出來的氣膜浮升力誤差為0.29%，泄漏量為0.42%。這表明，圖9中盡管網(wǎng)格劃分更細(xì)致，網(wǎng)格數(shù)量更多，但其氣膜浮升力、泄漏量運(yùn)算結(jié)果誤差均小于1%。根據(jù)前人的經(jīng)驗[11-12]，在不影響流場分析的情況下，網(wǎng)格數(shù)量取值盡量小，提高計算效率、減少工作量。綜合考慮，采用235 682 的網(wǎng)格數(shù)目。

圖9 網(wǎng)格無關(guān)性驗證參數(shù)對比圖Fig.9 Comparison of grid independence verification parameters

3 單向流固耦合計算結(jié)果分析與處理

3.1 氣膜流場的分析

轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，高壓入口側(cè)壓力為0.3 MPa，低壓出口側(cè)壓力為0.1 MPa 時，柱面氣膜密封流體域的靜壓力分布如圖10 所示。

圖10 柱面氣膜密封流體域靜壓分布Fig.10 Hydrostatic pressure distribution of cylinder gas film seal

動環(huán)隨轉(zhuǎn)軸進(jìn)行同步高速轉(zhuǎn)動。因在動環(huán)的外表面開設(shè)T 型槽，依靠泵吸和動壓效應(yīng)對密封氣體進(jìn)行加壓，由于槽區(qū)和非槽區(qū)之間存在臺階進(jìn)而在此處引發(fā)壓降，使得壓力在槽根徑處積聚，產(chǎn)生較大壓力，從而動靜環(huán)的間隙處形成一層氣膜，進(jìn)行密封。根據(jù)靜壓分布云圖，最高壓力為0.358 MPa，高壓入口側(cè)的壓力為0.3 MPa。

3.2 鼓泡結(jié)構(gòu)幾何尺寸對柔性支承性能的影響

本節(jié)采用控制變量法，針對幾個鼓泡結(jié)構(gòu)參數(shù)和選用不同材料，分別對單個參數(shù)選取不同的數(shù)值，分別分析其力學(xué)性能。

浮環(huán)變形量和等效應(yīng)力分布如圖11、圖12所示?？梢钥闯?，正是由于鼓泡結(jié)構(gòu)的存在，使得浮環(huán)與鼓泡結(jié)構(gòu)的接觸端形成了一種柔性接觸，使得浮環(huán)在接觸端產(chǎn)生了較小的變形量，集中分布在浮環(huán)與鼓泡的接觸區(qū)域，但不可避免地在非接觸區(qū)域會產(chǎn)生較大變形，最大變形量為0.012 4 μm，其值也遠(yuǎn)小于浮環(huán)的厚度和鼓泡的高度。同時，浮環(huán)的最大等效應(yīng)力值也是在浮環(huán)與鼓泡的接觸區(qū)域，最大等效應(yīng)力值為62.086 MPa，而鼓泡結(jié)構(gòu)此處的最大等效應(yīng)力值為59.045 MPa。本次分析柔性支承材料使用的是結(jié)構(gòu)鋼，具備屈服強(qiáng)度≥355 MPa，遠(yuǎn)大于62.086 MPa 的應(yīng)力值。浮環(huán)變形量的值不高于0.02 μm，而柱面氣膜密封的氣膜間隙取為0.01 mm，氣膜間隙大于浮環(huán)最大變形量。當(dāng)柔性支承結(jié)構(gòu)正常時，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生碰撞失效。

圖11 浮環(huán)結(jié)構(gòu)變形量云圖Fig.11 Cloud diagram of maximum deformation of floating ring structure

圖12 浮環(huán)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖Fig.12 Equivalent stress cloud diagram of floating ring structure

3.2.1 平箔厚度對柔性支承性能的影響

根據(jù)控制變量法，在確保其他參數(shù)不變的情況下只改變單個參數(shù)。當(dāng)鼓泡高度為0.25 mm、鼓泡半徑為1 mm 時，分析平箔厚度變化對其柔性支承性能的影響。柔性支承的等效應(yīng)力最大值、最大變形量的影響曲線圖如圖13 所示。

圖13 平箔厚度對柔性支承性能的影響Fig.13 Influence of flat foil thickness on the performance of flexible support

由圖13 可以分析得出，隨著平箔厚度的增加，柔性支承的最大等效應(yīng)力、最大變形量不斷在減小。原因是平箔厚度變大會使柔性支承整體剛度變大，增大平箔的抗彎剛度，平箔結(jié)構(gòu)在相同的外載荷下的變形減小，徑向剛度增大，同時抑制了平箔變形引起的密封氣體的流失，提高了氣膜的剛度。而鼓泡結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力，隨著平箔厚度的增加，基本不受其影響，保持在一個大致穩(wěn)定的值。平箔結(jié)構(gòu)最大變形量與平箔結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力的變化趨勢基本保持一致。

3.2.2 鼓泡高度對柔性支承性能的影響

由圖14 可以看出，在控制其他變量不變的情況下，鼓泡高度增大，柔性支承結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)了先增大后降低的變化趨勢。鼓泡高度在0.2～0.3 mm 的高度時，平箔的最大等效應(yīng)力值趨于平緩，而平箔的最大變形量，在鼓泡高度處于0.2～0.45 mm 范圍內(nèi)，幾乎保持不變，鼓泡高度對平箔的變形量的影響相對較小。

圖14 鼓泡高度對柔性支承性能的影響Fig.14 Effect of bubble height on the performance of flexible support

3.2.3 鼓泡半徑對柔性支承性能的影響

由圖15 可以看出，在鼓泡高度取定0.25 mm時，鼓泡半徑過小，平箔會產(chǎn)生較大的等效應(yīng)力，半徑過大，對比較小鼓泡半徑的等效應(yīng)力也沒有明顯的改善，考慮影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計的美觀且加大了材料的使用，綜上鼓泡半徑取0.9～1 mm 較為合理。

圖15 鼓泡半徑對柔性支承性能的影響Fig.15 Influence of bubble radius on the performance of flexible support

3.2.4 不同材料對柔性支承性能的影響

在相同的工況下，不同材料的平箔最大等效應(yīng)力、變形量不同。石墨的最大變形量要明顯高于其他材料，是因為石墨材料的密度小，彈性模量、泊松比較小，導(dǎo)致使用石墨材料時，具有較大的變形量、較小的等效應(yīng)力。但石墨材料有著較好的自潤滑性，在結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中發(fā)生碰磨的情況下，石墨粒由于自潤滑性可減緩動環(huán)與浮環(huán)的摩擦，有利于氣膜的穩(wěn)定。而采用鈹青銅材料的最大等效應(yīng)力要明顯大于鋼材料以及碳化鎢材料，最大變形量僅小于石墨材料?？紤]到在柔性支承材料的選擇中，要注重材料強(qiáng)度與剛度兼顧，鈹青銅的等效應(yīng)力較大而變形量適中，在5 種材料中性能最為合適。如圖16、圖17 所示。

4 結(jié)論

使用ANSYS 軟件，對柱面氣膜密封柔性支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向流固耦合分析，得到了柔性支承結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力和最大變形量情況。得到的相關(guān)結(jié)論如下：

（1）平箔厚度的變大使柔性支承整體剛度變大，使得柔性支承結(jié)構(gòu)的承載力和抵抗變形能力變強(qiáng)。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平箔厚度在0.6 mm以后，平箔結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力、最大變形量變化趨勢變平緩，建議平箔厚度取值0.6 mm，可以使結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度和剛度。

（2）通過對柔性支承結(jié)構(gòu)中平箔厚度、鼓泡半徑、鼓泡高度幾個參數(shù)的控制變量仿真，對柔性支承的最大等效應(yīng)力和變形量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鼓泡結(jié)構(gòu)的柔性支承可以很好地抵抗變形，平箔厚度對柔性支承影響最大，鼓泡半徑、鼓泡高度對柔性支承相對較小，考慮取值鼓泡半徑0.9～1 mm，鼓泡高度0.2～0.3 mm。

（3）通過對柔性支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究發(fā)現(xiàn)，鼓泡結(jié)構(gòu)的柔性支承在產(chǎn)生合理的等效應(yīng)力同時有較小的變形量可以很好地抵抗變形，能夠滿足柱面氣膜密封的正常運(yùn)行。柱面氣膜密封鼓泡箔片的箔片變形分布與經(jīng)典的波箔結(jié)構(gòu)有類似之處，但也存在著明顯的差異，鼓泡箔片的點(diǎn)支撐效應(yīng)是這種差異存在的主要原因。