織構(gòu)化可控界面對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥泄漏影響規(guī)律及機(jī)制

廖毅弘 張桂明 許 靜杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州，310018

0 引言

隨著海洋開發(fā)和海防形勢的變化，國際間競爭已從陸地轉(zhuǎn)向海洋，海洋利用區(qū)域不斷向深海、遠(yuǎn)海延伸，高技術(shù)艦船技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。受海洋極端特殊環(huán)境(風(fēng)、浪、流)的影響，介質(zhì)氣體蒸汽流存在冷凝析液、汽流激振，且具有流動(dòng)不穩(wěn)定性、瞬態(tài)性、非恒定性等特征，不易在調(diào)節(jié)閥間隙內(nèi)形成完整的潤滑膜，汽膜承載力與穩(wěn)定性較差，間隙泄漏量大，是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在極端工況下高效、穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。調(diào)節(jié)閥的潤滑性和密封性直接影響汽輪機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

近年來不少學(xué)者在調(diào)節(jié)閥密封的影響規(guī)律與機(jī)制探究中初見成效。其中通過研究閥門密封泄漏預(yù)測模型，建立微觀形貌與宏觀泄漏率之間的理論關(guān)系式，并以此研究汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥泄漏影響規(guī)律及機(jī)制，已逐漸成為熱點(diǎn)[1-8]。陳匯龍等[9]研究了動(dòng)壓型機(jī)械密封液膜汽化特性和密封性能，建立了涉及水的飽和溫度與壓力的關(guān)系、黏溫效應(yīng)以及牛頓流體內(nèi)摩擦效應(yīng)的密封間隙液膜汽化計(jì)算模型，研究結(jié)果表明：介質(zhì)溫度升高使得突變轉(zhuǎn)速增大，密封性能受工況變化的影響明顯，同時(shí)，閥門性能與間隙液體流動(dòng)和摩擦特性有關(guān)。眾多學(xué)者指出閥門低頻和高振幅振動(dòng)[10]、油液污染[11]等易造成閥桿與閥套摩擦，出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。FROSINA等[12]發(fā)現(xiàn)閥桿移位期間，閥門內(nèi)的流體動(dòng)力會降低閥門性能。為此，SWEENEY[13]提出液壓卡緊是因閥芯液壓力分布不均勻引起，對閥芯加工均壓槽[14]、減小閥門體積[15]會影響潤滑特性，改善卡緊問題，增大內(nèi)泄漏。LISOWSKI等[16]、汪永久等[17]通過修改閥芯結(jié)構(gòu)，改善流場流動(dòng)特性，解決了油動(dòng)機(jī)磨損、卡澀問題。上述方法改善了間隙液膜摩擦特性，增強(qiáng)了閥門穩(wěn)定特性，但這些方法對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，較大影響了系統(tǒng)使用或者存在內(nèi)泄漏增大等新問題。

研究表明，合理的表面織構(gòu)仿生設(shè)計(jì)能改善流固界面動(dòng)力學(xué)特性。1997年，NEINHUIS[18]首次提出荷葉自清潔效應(yīng)由其表面微結(jié)構(gòu)與蠟狀物質(zhì)共同引起，而表面微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)被證明為根本原因[19]。沈殿等[20]發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)引起局部油膜厚度增大，織構(gòu)化區(qū)域面積越大，減摩潤滑效果越好。MENEZES等[21]認(rèn)為長期處于動(dòng)接觸的物體，界面性能是物體特性的關(guān)鍵因素，微織構(gòu)會形成摩擦遲滯，因此，微織構(gòu)界面直接影響液體的動(dòng)態(tài)輸運(yùn)。調(diào)節(jié)閥閥桿間隙上冷凝液的動(dòng)態(tài)行為實(shí)際上是有外力作用的動(dòng)態(tài)輸運(yùn)行為，調(diào)節(jié)閥運(yùn)行性能與織構(gòu)化表面界面效應(yīng)直接聯(lián)系。XU等[22-23]就潤濕性表面設(shè)計(jì)制備與液體動(dòng)態(tài)輸運(yùn)問題開展了系列研究，發(fā)現(xiàn)閥桿界面效應(yīng)會影響調(diào)節(jié)閥運(yùn)行性能。然而單一織構(gòu)的親水性或疏水性具有功能局限性，無法合理改善閥桿界面潤滑與泄漏特性，創(chuàng)建新型式閥桿與閥套對提高調(diào)節(jié)閥性能具有一定理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文以極端工況下深海艦艇汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥泄漏、磨損等問題為工程背景，基于織構(gòu)“形貌”與調(diào)節(jié)閥“性能”，以織構(gòu)化可控界面效應(yīng)為切入點(diǎn)，在調(diào)節(jié)閥上制備出功能表面。基于流體潤滑理論，并應(yīng)用有限元法進(jìn)行求解，計(jì)算汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥壓力分布及泄漏量，分析研究織構(gòu)化可控界面對調(diào)節(jié)閥泄漏影響的規(guī)律，明確織構(gòu)化調(diào)節(jié)閥運(yùn)行作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)摩擦調(diào)控。結(jié)果表明，組合織構(gòu)的密封性能及運(yùn)行穩(wěn)定性相對于其他單一織構(gòu)優(yōu)越。

1 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證親水織構(gòu)和疏水織構(gòu)表面潤濕性能，需測量織構(gòu)與水滴接觸角。將水滴滴到織構(gòu)表面利用接觸角測量儀測量靜態(tài)接觸角來驗(yàn)證織構(gòu)的親水性和疏水性。選用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿典型材料馬氏體耐熱不銹鋼(21Cr12MoV)作為基體材料。首先對基體表面進(jìn)行研磨和拋光，采用粗糙度測量儀對試樣表面粗糙度表征，測量得到表面平均粗糙度為1.31 μm。為減少閥桿表面灰塵、油脂等對織構(gòu)加工成形的影響，實(shí)驗(yàn)前將待加工的閥桿放入盛有丙酮溶液的超聲波清洗機(jī)中清洗，待取出自然干燥后使用。

設(shè)計(jì)疏水型織構(gòu)參數(shù)：微圓坑直徑d1=200 μm,相鄰微圓坑圓心距b1=200 μm,微圓坑高度h1=200 μm；親水型織構(gòu)參數(shù)：矩形坑邊長L2=400 μm,相鄰矩形坑中心距離b2=400 μm,矩形坑高度h2=400 μm。圖1所示是織構(gòu)模型及其接觸角。實(shí)驗(yàn)采用H20光纖激光打標(biāo)機(jī)，其激光光斑直徑為10 μm，加工方式為逐層包絡(luò)掃描。相應(yīng)工藝參數(shù)為：頻率1～1000 kHz，脈沖寬度4～200 ns，開光時(shí)間1 μs，關(guān)光時(shí)間2 μs，長時(shí)間功率穩(wěn)定性小于3%，激光器光束直徑為6～9 mm。H20光纖激光打標(biāo)機(jī)采用德國IPG20W激光器模，具有高強(qiáng)度一體成形方頭和高強(qiáng)度全鋁主梁，該結(jié)構(gòu)輕便穩(wěn)定，滿足大部分加工精度要求。

(a)疏水型

在實(shí)驗(yàn)中，通常用接觸角來度量固體表面的潤濕性(固體表面的親水或疏水程度)。當(dāng)氣泡在固體表面附著(或水滴附著于固體表面)時(shí)，一般認(rèn)為其接觸處是三相接觸，并將這條接觸線稱為“三相潤濕周邊”。在接觸過程中，潤濕周邊是可以移動(dòng)的。當(dāng)變化停止時(shí)，表明該周邊三相界面的自由能(以界面張力表示)已達(dá)到平衡，在此條件下，潤濕周邊上任意一點(diǎn)處，液-氣界面的切線與固-液界面切線之間的夾角稱為平衡接觸角，簡稱接觸角。潤濕實(shí)驗(yàn)采用液滴法，液滴體積統(tǒng)一為4 μL，用DSA100 型液滴形狀分析儀(DSA, 德國Kruess 公司)測量液滴接觸角。如圖1所示，疏水織構(gòu)的靜態(tài)接觸角為97.2°，親水織構(gòu)的靜態(tài)接觸角為62.1°，所設(shè)計(jì)織構(gòu)表面的潤濕性符合預(yù)期。

2 物理模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

由于RNGk-ε湍流模型是通過N-S方程經(jīng)過重正規(guī)化群方法得到的，計(jì)算精度較高，模擬強(qiáng)旋流場具有優(yōu)越性，因此本文基于FLUENT軟件采用RNGk-ε湍流模型對閥桿縫隙湍流流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，具體如下：

(1)

(2)

式中，k、ε分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率；ρ為流體密度；Cμ、β、φ0為模型常數(shù)；αk、αε分別為k、ε的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；Eij為能量梯度；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；μi為湍流黏性系數(shù)；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；μ為流體黏度；ui、uj為速度梯度；YM為由于可壓縮性引起的附加項(xiàng)。

2.2 幾何模型

將閥桿微織構(gòu)造型簡化為周期性對稱模型，如圖2所示，鑒于光纖激光打標(biāo)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)在平面上加工微織構(gòu)，在調(diào)節(jié)閥閥芯表面進(jìn)行微織構(gòu)加工時(shí)，需要對閥芯表面進(jìn)行塊加工，首先將閥芯表面沿周向均分成36塊區(qū)域，每塊區(qū)域可以近似看成平面，光纖激光打標(biāo)機(jī)沿著每個(gè)區(qū)域的中心線開設(shè)所設(shè)計(jì)的圖樣，待一塊區(qū)域加工完畢，閥芯需旋轉(zhuǎn)10°使下一區(qū)域成為當(dāng)前加工區(qū)域。為保證旋轉(zhuǎn)角度精確，采用步進(jìn)電機(jī)對閥芯旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行控制，通過控制對步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)對閥芯旋轉(zhuǎn)角度的控制。

圖2 閥桿造型

疏水型微凹織構(gòu)、親水型微凹織構(gòu)、動(dòng)壓平衡型織構(gòu)如圖3所示，流體域三維模型如圖4所示。內(nèi)表面為動(dòng)壓平衡織構(gòu)與疏水織構(gòu)組合，外表面為親水織構(gòu)，沿周向均勻分成36塊區(qū)域，每塊區(qū)域可近似看成平面。求解器選用壓力隱式求解器，按照不可壓縮定常流動(dòng)計(jì)算，液體相采用SST(shear-stress-transport)k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法對壓力速度耦合進(jìn)行求解，收斂精度為10-5；微織構(gòu)上下壁面劃分為邊界層網(wǎng)格。

(a)疏水型微凹織構(gòu) (b) 親水性微凹織構(gòu)

(a)組合織構(gòu)三維流體域

如圖2所示，微織構(gòu)左右壁面采用平移周期壓降邊界條件，壓力梯度pn-pn-1為邊界壁面兩端壓差p1-p0與閥桿織構(gòu)總長L的比值：

(3)

上下壁面采用旋轉(zhuǎn)周期性邊界,其中,上壁面采用無滑移壁面邊界，下壁面設(shè)置為移動(dòng)壁面。

設(shè)置幾何尺寸如下：疏水織構(gòu)深度h1=200 μm，直徑d1=200 μm，圓心距b1=200 μm；動(dòng)壓平衡織構(gòu)深度h3=100 μm，寬度L1=200 μm,楔形槽長度L3=400 μm；親水織構(gòu)深度h2=400 μm，邊長L2=400 μm，相鄰矩形坑中心距b2=400 μm。

已知實(shí)際閥桿密封寬度為50 mm，p1=4 MPa，p0=0，取閥桿周期計(jì)算域長度L=1 mm，由式(3)計(jì)算pn-pn-1=0.08 kPa/μm。取閥桿速度v=0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m/s，常溫下冷凝水黏度為1.005×103N·s/m2。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

基于不同織構(gòu)不同界面功效特性，采用單一與組合并行研究方式，對比各織構(gòu)類型下新型調(diào)節(jié)閥的性能特性，探索各類型織構(gòu)調(diào)節(jié)閥的密封、動(dòng)壓潤滑特性。

3.1 微織構(gòu)單元壓力分布

閥桿的動(dòng)壓潤滑性能直接關(guān)系著調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行性能，液膜壓力越大，液膜剛度越大，承載力越大，閥桿與閥套間磨損越小。圖5為壓力4 MPa，閥桿速度1 m/s單周期不同織構(gòu)壓力分布云圖。圖5a顯示圓柱微凹坑流體流入方向產(chǎn)生負(fù)壓力，流出方向產(chǎn)生正壓力，流體壓力的變化集中在凹坑入口和出口處，其中正壓區(qū)域與負(fù)壓區(qū)域近似于對稱分布，基本不存在圓柱微凹坑動(dòng)壓潤滑效果。圖5c的矩形凹坑所顯示的動(dòng)壓潤滑效應(yīng)與圖5a相似。

(a)閥桿疏水織構(gòu)

流體動(dòng)力潤滑也稱為流體動(dòng)壓潤滑，是指軸頸旋轉(zhuǎn)將潤滑油帶入軸承摩擦表面時(shí)，由于潤滑油的黏性作用，當(dāng)達(dá)到足夠高的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，潤滑油就被帶入軸和軸瓦配合面間的楔形間隙內(nèi)而形成流體動(dòng)壓效應(yīng)，即在承載區(qū)內(nèi)的油膜中產(chǎn)生壓力。當(dāng)壓力與外載荷平衡時(shí)，軸與軸瓦之間形成穩(wěn)定的油膜，從而實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力潤滑。圖5b的動(dòng)壓平衡織構(gòu)具備動(dòng)壓楔形效應(yīng)，織構(gòu)內(nèi)有明顯的壓力峰值。引流織構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，楔形槽內(nèi)呈現(xiàn)明顯的正壓區(qū)域，且最大正壓力絕對值(6.17×104MPa)高于負(fù)壓區(qū)最低壓力絕對值(2.68×104MPa)，正壓影響面積高于負(fù)壓影響面積，動(dòng)壓織構(gòu)內(nèi)流體動(dòng)壓潤滑效果顯著，且存在明顯的渦流。

綜合考慮凹孔織構(gòu)和動(dòng)壓槽效應(yīng)，圖5d的組合織構(gòu)顯示了流體的高壓區(qū)和低壓區(qū)分別聚集于動(dòng)壓平衡織構(gòu)出口和進(jìn)口，正壓影響面積大于負(fù)壓區(qū)面積，流體動(dòng)壓潤滑效果較好。然而，組合織構(gòu)調(diào)節(jié)閥間隙的動(dòng)壓效果比動(dòng)壓平衡織構(gòu)效果差。究其原因可知，流體流經(jīng)帶凹孔織構(gòu)界面，部分流體進(jìn)入凹孔間隙起到了阻尼泄壓作用，平均了壓力值，使得閥桿間隙的浸潤特性增強(qiáng)，其壓力梯度遠(yuǎn)小于動(dòng)壓平衡織構(gòu)壓力梯度，減弱了動(dòng)壓平衡織構(gòu)部分的動(dòng)壓效果。這意味著在流體流速相同的情況下，組合織構(gòu)壁面承受的壓力變化小于動(dòng)壓平衡織構(gòu)承受的壓力變化，所以組合織構(gòu)更利于調(diào)節(jié)閥工作的穩(wěn)定性。

3.2 泄漏量

3.2.1光滑閥桿泄漏量

圖6為不同壓力下光滑閥桿泄漏量隨速度變化的曲線。由圖6可知，隨著壓力增大泄漏量增大，這是受壓差流作用的結(jié)果；同時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)速度增大，泄漏量減小。壓力越大，運(yùn)動(dòng)速度影響泄漏量越明顯。參考光滑閥桿泄漏量，定義織構(gòu)表面減漏率:

圖6 光滑表面泄漏量

η=(qm-qj)/qm

式中,qj為周期性織構(gòu)表面泄漏量；qm為光滑周期性表面泄漏量。

3.2.2壓力對減漏率的影響

不同織構(gòu)單元相對于光滑壁面的減漏率隨壓力變化如圖7所示。結(jié)果顯示，閥桿靜止?fàn)顟B(tài)下，4種織構(gòu)相對于光滑壁面減漏率隨壓力增大而增大，在壓力大于4 MPa時(shí)，減漏率變化較為平緩。相對于光滑壁面，4種織構(gòu)減漏率大小依次為：疏水織構(gòu)，組合織構(gòu)，親水織構(gòu)，動(dòng)壓織構(gòu)。其中，疏水織構(gòu)減漏率最大達(dá)到23.1%，組合織構(gòu)最大達(dá)到18.8%，疏水織構(gòu)與組合織構(gòu)變化趨勢基本一致，組合織構(gòu)減漏率較疏水織構(gòu)減漏率低近4.3個(gè)百分點(diǎn)，動(dòng)壓平衡織構(gòu)的減漏率小于0，說明動(dòng)壓平衡織構(gòu)閥桿的泄漏量比光滑閥桿泄漏量大，其原因是動(dòng)壓平衡織構(gòu)一定程度上增加了上下壁面間的連通面積，不利于微織構(gòu)的密封。同時(shí)流體進(jìn)入間隙密封區(qū)域后在微織構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生氣穴，流線發(fā)生彎曲，此時(shí)可視其為阻止泄漏流體流動(dòng)的壩，成為密封壩，但是即使存在密封壩效應(yīng)，受極強(qiáng)動(dòng)壓流體推動(dòng)，反而大大增加了流體泄漏。同時(shí)，動(dòng)壓平衡織構(gòu)減漏率隨壓力、速度增大而增大，說明隨著壓力、速度增大，動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)受密封壩效應(yīng)影響，進(jìn)一步減少了泄漏。壓力增大到3.5 MPa后，減漏率曲線變得平緩。

(a)v=0 (b)v=0.5 m/s (b)v=1 m/s

相對而言，疏水織構(gòu)和親水織構(gòu)具有相似的動(dòng)壓效應(yīng)與密封壩效應(yīng)，同時(shí)在微凹坑內(nèi)會形成反向旋轉(zhuǎn)渦，使流動(dòng)在壁面法向和展向方向產(chǎn)生能量交換，削弱沿流動(dòng)方向的能量，減小泄漏量；而親水織構(gòu)的壁面具有良好液滴鋪展性能，密封壩雖能減小泄漏量，但過大的尺度增大了泄漏通道面積，最終動(dòng)壓效應(yīng)阻力作用大于增加泄漏通道面積作用，減漏效果不明顯。組合結(jié)構(gòu)減漏作用主要在于疏水織構(gòu)，親水織構(gòu)使得動(dòng)壓織構(gòu)動(dòng)壓效應(yīng)更加明顯，因此組合織構(gòu)在提高閥桿穩(wěn)定性及降低泄漏方面優(yōu)于其他織構(gòu)。

3.2.3速度對減漏率的影響

圖8所示為不同織構(gòu)單元相對于光滑壁面的減漏率隨速度的變化曲線。結(jié)果表明，相對于光滑壁面，不同織構(gòu)減漏率大小依次為：疏水織構(gòu)，組合織構(gòu)，親水織構(gòu)，動(dòng)壓織構(gòu)，4種織構(gòu)相對于光滑壁面減漏率隨閥桿速度增大而增大，在速度大于1.5 m/s以后減漏率變化趨于平緩；親水織構(gòu)減漏率隨著閥桿速度增大而增大，當(dāng)v≥2 m/s時(shí)，減漏性能優(yōu)于光滑壁面。動(dòng)壓平衡織構(gòu)減漏性能劣于光滑壁面，隨速度增大，其減漏率略微增大，但始終為負(fù)值。疏水織構(gòu)與組合織構(gòu)較親水織構(gòu)減漏率變化明顯，其中，疏水織構(gòu)減漏率最大達(dá)到22.1%，組合織構(gòu)最大達(dá)到19.8%，疏水織構(gòu)與組合織構(gòu)變化趨勢基本一致，組合織構(gòu)較疏水織構(gòu)低近2.3個(gè)百分點(diǎn)，組合織構(gòu)的減漏性能稍低于疏水織構(gòu)的減漏性能，兩者的差值始終保持在5個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)，說明組合織構(gòu)和疏水織構(gòu)均具有良好的減漏性能。

(a)p=1 MPa

4 結(jié)論

(1)潤濕性影響。在馬氏體耐熱不銹鋼(21Cr12MoV) 表面加工出接觸角為62.1°的親水織構(gòu)，接觸角為97.2°的疏水織構(gòu)。親水織構(gòu)的壁面具有良好的液滴鋪展性能，密封壩雖能減小泄漏量，但過大的尺度增大了泄漏通道面積，最終動(dòng)壓效應(yīng)阻力作用大于增加泄漏通道面積作用，減漏效果不明顯。

(2)動(dòng)壓效應(yīng)影響。閥桿的動(dòng)壓潤滑性能直接關(guān)系著調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行性能，微凹坑流體動(dòng)壓潤滑效果較差，動(dòng)壓平衡織構(gòu)具備動(dòng)壓楔形效應(yīng)，流體動(dòng)壓潤滑效果顯著，且存在著明顯的渦流。綜合考慮凹孔織構(gòu)和動(dòng)壓平衡織構(gòu)組合，其動(dòng)壓效果比動(dòng)壓槽差。流體流經(jīng)帶凹孔織構(gòu)，部分流體起到了阻尼泄壓作用，平均了壓力值，使得動(dòng)壓織構(gòu)部分的動(dòng)壓效果減弱，組合織構(gòu)更利于調(diào)節(jié)閥工作的穩(wěn)定性。

(3)泄漏量影響?？棙?gòu)的減漏率影響大小依次為：疏水織構(gòu)，組合織構(gòu)，親水織構(gòu)，動(dòng)壓平衡織構(gòu)。p≥3.5 MPa后減漏率變化變得平緩。動(dòng)壓平衡織構(gòu)上下壁面增加的連通面積，即使存在密封壩效應(yīng)，但是受極強(qiáng)動(dòng)壓流體推動(dòng)，反而大大增加了泄漏量；親水織構(gòu)因其壁面良好的液滴鋪展性能，增加了泄漏通道面積，減漏效果不明顯。疏水織構(gòu)內(nèi)形成的反向旋轉(zhuǎn)渦，使流動(dòng)在壁面法向和展向產(chǎn)生能量交換，使得流體動(dòng)能耗散，流動(dòng)效果減弱，泄漏量減小；而組合結(jié)構(gòu)的減漏作用在于疏水織構(gòu)，親水織構(gòu)使得動(dòng)壓織構(gòu)動(dòng)壓效應(yīng)更加明顯，因此組合織構(gòu)在提高閥桿穩(wěn)定性及降低泄漏方面優(yōu)于其他織構(gòu)。