基于Fluent-Abaqus仿真研究柔片密封設(shè)計(jì)規(guī)律

[摘" " 要]選取典型參數(shù)計(jì)算并歸納柔片密封的設(shè)計(jì)規(guī)律，并提出可控式柔片密封結(jié)構(gòu)的構(gòu)想。由Fluent流體模型和Abaqus固體模型聯(lián)合計(jì)算，得出前后板-柔片、前后板-轉(zhuǎn)子，以及柔片-轉(zhuǎn)子間隙對泄漏和柔片浮動特性的影響;比較入口壓力、前后板位置對泄漏及柔片浮動特性的影響。結(jié)果表明，后板對泄漏的影響大于前板;增加后板-柔片或后板-轉(zhuǎn)軸的距離可增加柔片的上浮量;增加前板-柔片或前板-轉(zhuǎn)軸的距離可增加柔片的下浮量。根據(jù)柔片以上的浮動特性，提出可控式柔片密封結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，實(shí)時(shí)調(diào)整前后板-柔片及前后板-轉(zhuǎn)軸的間隙，實(shí)現(xiàn)降低泄漏和避免磨損的雙重目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]柔片密封設(shè)計(jì);應(yīng)用研究;仿真;泄漏;浮動特性

[中圖分類號]TH136 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

密封系統(tǒng)對于節(jié)約能源具有重要作用，根據(jù)2002年三菱的專利[1]估計(jì)，燃?xì)廨啓C(jī)因密封結(jié)構(gòu)改善可以提升其工作效率1%。這一改善如果反映在百萬千瓦的循環(huán)動力系統(tǒng)上，相當(dāng)于每年節(jié)省約3.5萬t的燃料。NASA 2006的報(bào)告[2]指出，降低發(fā)動機(jī)泄漏量1%，可以降低特定燃油消耗0.4%，相當(dāng)于美國每年節(jié)約航空燃油1.2～2.1億升，在世界范圍每年節(jié)約航空燃油約10.6億L（2004年）。具體到密封的角度估計(jì)[2]，降低高壓渦輪機(jī)密封間隙0.0254mm，每年可以為美國航線節(jié)約18.927億L的航空燃油。由此可見改善密封系統(tǒng)潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

柔片密封改善了刷式密封的一些問題：刷式密封由于刷絲在壓差下發(fā)生軸向變形，其徑向有效長度會減小;刷絲與刷絲，刷絲與背板的摩擦?xí)绊懰⒔z自由移動，使泄漏量在軸偏心下顯著增大[2]。此外，刷絲的磨損和脫落也是一個(gè)問題。柔片密封能承受更大的壓差和更大的徑向擾動，并改善了刷式密封的壓力剛化現(xiàn)象，具有更小的滯后性[3]。刷式和柔片都會變形，這種變形在以避免磨損和降低泄漏為雙重設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下，可能會提升或降低密封性能，兩者往往不可兼得。而單純由結(jié)構(gòu)參數(shù)和泄漏量的關(guān)系設(shè)計(jì)柔片密封結(jié)構(gòu)，忽視了柔片作為一個(gè)可動結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此有必要研究不同參數(shù)下柔片的動特性。

2012年，Hrishikesh V.Deo等利用CFX軟件定性分析了二級柔片密封結(jié)構(gòu)的浮動特性[4]。本文在上述參考文獻(xiàn)建模思想的基礎(chǔ)上，利用Fluent計(jì)算了模型的泄漏和壓場，利用Abaqus計(jì)算了柔片在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的浮動特性，即實(shí)現(xiàn)了Fluent-Abaqus聯(lián)合仿真，并由此歸納了柔片密封的設(shè)計(jì)規(guī)律，首次提出可控式柔片密封的構(gòu)想。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

本文的柔片密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，厚70～80μm的金屬片環(huán)繞轉(zhuǎn)軸排列，外側(cè)固定于一環(huán)形凹槽內(nèi)。凹槽面向高壓的一側(cè)為前板，面向低壓的一側(cè)為后板，前后板統(tǒng)稱為側(cè)板。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)除了柔片本身的長、寬、高和安裝角外，還有前板-柔片間隙（UGW）和前板-軸間隙（UGH），后板-柔片間隙（DGW）和后板-軸間隙（DGH），以及底部間隙（BG）。命名含義見表1，對應(yīng)位置見圖2，這里區(qū)別英文和中文命名以簡化敘述和標(biāo)注。

本文主要研究表1中的設(shè)計(jì)指標(biāo)。定量和變量的取值見表2。

1.2 CFD模型

金屬柔片沿圓周方向的幾何周期性意味著只需計(jì)算單個(gè)柔片周圍的流體特征即可。而此區(qū)域與其他周向區(qū)域的關(guān)系可通過添加周期邊界條件來實(shí)現(xiàn)[4]，如圖3所示。

計(jì)算模型包含一個(gè)完整的柔片和此柔片前后相鄰柔片的1/2、轉(zhuǎn)軸的上表面、前后板內(nèi)表面，以及它們之間的流體。由網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后確定流體區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)隨幾何尺寸的變化在43～48萬個(gè)。六面體網(wǎng)格由Abaqus劃分。壁面處的y+值控制在5以下。

由Fluent三維可壓縮k-ω模型求解計(jì)算區(qū)域。當(dāng)動量方程殘差小于10-4，柔片表面的壓力變化小于0.1%，進(jìn)出口不平衡質(zhì)量小于入口質(zhì)量的0.1%時(shí)，判定結(jié)果已收斂。

1.3 CAE模型

柔片的三維模型由Abaqus創(chuàng)建，模型的坐標(biāo)系與流體模型的坐標(biāo)系重合。這樣可以為柔片施加流體模型計(jì)算后的壓場，即實(shí)現(xiàn)單向的流固耦合。圖4為柔片模型的邊界條件，柔片的5個(gè)面上施加了由Fluent計(jì)算的壓場。柔片處于凹槽內(nèi)的一端被固定，其浮動特性由柔片底部端面面向高壓側(cè)的一角點(diǎn)的位移值表征。

2 設(shè)計(jì)曲線

2.1 泄漏特性

所有的泄漏量由一個(gè)柔片的密封作用表征。相同壓差下，泄漏量隨DGW的變化趨勢，介于泄漏量隨UGW變化趨勢與泄漏量隨前/后板-柔片間隙同時(shí)變化的趨勢之間;泄漏量隨DGH的變化趨勢，介于泄漏量隨UGH變化趨勢與泄漏量隨前/后板-軸間隙同時(shí)變化的趨勢之間。泄漏-壓力曲線族的縱向分布隨GW或GH變化呈現(xiàn)差異。當(dāng)GW在變動時(shí)，不同壓差下的泄漏值呈非線性分布，當(dāng)前/后版-軸間隙變動時(shí)，泄漏為線性變化。對非線性變化做擬合分析，構(gòu)造GW與泄漏關(guān)系的擬合方程如下：

（1）

式中，L為泄漏量;a，b，c為擬合系數(shù);x為前/后版-柔片間隙。即在3種設(shè)計(jì)模式下，可以分別指代前板-柔片間隙、后板-柔片間隙和前/后板-柔片間隙。擬合0.5MPa入口壓力下，泄漏隨前/后版-柔片間隙的3種方程為：

（2）

" （3）

" （4）

由圖5和圖6可知，下游低壓側(cè)的參數(shù)對泄漏的影響大于上游高壓側(cè)的參數(shù)。這意味著阻礙后板處的高速氣流比阻礙前板處的低速氣流對泄漏的控制作用更明顯。圖7為不同底部間隙BG下泄漏與入口壓力的關(guān)系。取0.5MPa下0.3mm和0.1mm間隙對應(yīng)的泄漏值計(jì)算可得，減小0.2mm的片底間隙可降低約60%的泄漏，衍生效益可由此推算至油耗和相關(guān)費(fèi)用指標(biāo)。

所有的泄漏設(shè)計(jì)曲線表明，泄漏與間隙為正相關(guān)關(guān)系。但柔片密封的另一特點(diǎn)在于柔片可以浮動，某些利于減小泄漏的參數(shù)會使柔片在工作條件下緊密貼向轉(zhuǎn)軸。這不僅會使密封系統(tǒng)產(chǎn)生高溫和磨損，也不利于轉(zhuǎn)軸運(yùn)動。所以有必要進(jìn)一步研究柔片的浮動特性，以平衡泄漏與磨損的關(guān)系。

2.2 柔片浮動特性

柔片的浮動特性由柔片浮動端朝向高壓側(cè)的一個(gè)角點(diǎn)的位移值表征，正值意味著遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸，負(fù)值意味著接近轉(zhuǎn)軸。由圖8和圖9中曲線的縱向分布可知，在UGW和DGW固定的情況下，UGH和DGH分別與柔片浮動值呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系。即增加后板與柔片或轉(zhuǎn)子間隙可以使柔片上浮趨勢增加，而增加前板與柔片或轉(zhuǎn)子間隙可以使柔片下浮趨勢增加。同時(shí)側(cè)板與柔片的徑向或軸向間隙會使前后板對柔片的相反作用相互抵消。與對泄漏的影響類似，下游參數(shù)對柔片浮動的影響更大。

工作壓力越大，改變結(jié)構(gòu)間隙所產(chǎn)生的作用也越大。圖8非線性的變化形式與泄漏曲線相似，說明前后板內(nèi)側(cè)徑向氣體流速的變化率隨間隙的增加而減小。

圖10為具有上浮性質(zhì)的柔片在不同片底間隙下隨入口壓力的變化情況。圖11的縱坐標(biāo)為初始計(jì)算間隙減去圖10中的形變量后，柔片與轉(zhuǎn)軸的剩余間隙。圖11揭示了柔片在不同壓差下的平衡區(qū)間：選擇圖中的一條曲線（0.4MPa）分析，可以發(fā)現(xiàn)柔片在片底初始間隙0.1mm的情況下會上浮至與轉(zhuǎn)軸約0.12mm的位置，初始間隙為0.2mm時(shí)會下浮至約0.17mm的位置。而0.1mm以下或0.2mm以上的間隙都會導(dǎo)致柔片回到0.1～0.2mm區(qū)間。分析其他壓差下的曲線可以發(fā)現(xiàn)類似的平衡區(qū)間。若想在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小具有上浮結(jié)構(gòu)的平衡間隙，可通過增加柔片剛度或柔片與轉(zhuǎn)軸的安裝角度來實(shí)現(xiàn)。

仿真結(jié)果表明可將前后板設(shè)計(jì)為具有軸向或徑向移動功能的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)壓差等條件實(shí)時(shí)調(diào)整柔片與轉(zhuǎn)軸的關(guān)系，從而達(dá)到避免磨損和減小泄漏的雙重目的。

3 結(jié)論

（1）模型的計(jì)算結(jié)果表明，改變后板-柔片或后板-軸間隙，比改變前板-柔片或前板-軸間隙對泄漏的影響更明顯。

（2）可以通過改變側(cè)板-柔片以及側(cè)板-軸間隙控制柔片的浮動量。研究發(fā)現(xiàn)，柔片的下浮現(xiàn)象更容易出現(xiàn)。在一定的壓差和片底間隙下，UGH≥DGH且UGW/DGW≥1時(shí)，柔片具有下浮趨勢，下浮量隨比值的增大而增大;UGW≥DGW且UGH/DGH≥1時(shí)，柔片具有下浮趨勢，下浮量隨比值的增大而增大。使柔片上浮的條件只在UGW/DGW<1時(shí)才會出現(xiàn)，且工作壓差越小，所需比值越小。

（3）從增加DGW使柔片的浮動趨勢逆轉(zhuǎn)，而增加DGH僅使柔片下浮趨勢減小，以及兩種參數(shù)變動的數(shù)量級可知，控制UGW和DGW，比控制UGH和DGH能更有效控制柔片的浮動。

（4）算例表明，柔片-軸間隙會動態(tài)趨于穩(wěn)定。這一結(jié)果表現(xiàn)為不同工況下柔片對轉(zhuǎn)軸微小變形和偏心的適應(yīng)。

（5）由柔片的設(shè)計(jì)曲線歸納并提出可控式柔片密封的構(gòu)想，從而實(shí)現(xiàn)降低泄漏和避免磨損的雙重目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] Shinohara T，Akagi K，Yuri M，et al." Shaft seal and turbine using the same." United States Patent US 6343792B1[P]." 2002-02-05.

[2] Chupp R E，Hendricks R C，Lattime S C，et al. Sealing in turbomachinery[R]." NASA/TM-2006-214341，2006.

[3] Jahn I H，Owen A K，F(xiàn)ranceschini G，et al. Experimental characterisation of the stiffness and leakage of a prototype leaf seal for turbine applications[R]." "ASME Paper GT2008-51206，2008.

[4] Deo H，Gedam H，Rao A. Compliant plate seals：design and performance simulations[R]. ASME Paper GT2012-69348，2012.

作者簡介

韓捷（1990—），男，山西太原人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向?yàn)樘胤N機(jī)械。