仿特斯拉閥結(jié)構(gòu)新型槽端面干氣密封的數(shù)值研究

王 衍, 徐 慧, 謝雪非, 孔康杰, 胡 瓊, 謝晨卓, 蔡張偉

(1. 江蘇海洋大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 連云港 222005;2. 江蘇省海洋資源開發(fā)研究院, 江蘇 連云港 222005;3. 江蘇海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院, 江蘇 連云港 222005)

干氣密封(Dry gas seal, DGS)作為動壓型機械密封的典型代表，已廣泛用于各種高端流體機械裝置中[1-2]，動壓型機械密封的特殊之處及核心技術(shù)在于端面結(jié)構(gòu)的與眾不同，正是由于這一特點，表面槽型的千變?nèi)f化已成為動壓密封領(lǐng)域研究最活躍的部分. 不同類型槽型的密封性能和使用工況千差萬別，目前典型的密封端面結(jié)構(gòu)以多孔端面(Micro-pores)、對數(shù)螺旋槽(Logarithmic spiral groove)及其他變異槽型為主要代表. Etsion等[3]最早于1996年提出了多孔端面動壓機械密封的研究原型，通過在動環(huán)或靜環(huán)端面開設(shè)各類孔徑、孔深和不同分布的微孔，密封環(huán)旋轉(zhuǎn)時每個微孔都類似于1個微型動壓軸承，產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)使端面分離形成非接觸. 1999年，Lai等[4]對各類不同槽深的動壓槽型進行系統(tǒng)研究，毫米級深槽包括半圓形、矩形、月牙形、三角形以及各種復(fù)合槽型，微米級淺槽包括對數(shù)螺旋槽、徑向直線槽、斜直線線槽和圓弧槽等.

對數(shù)螺旋槽干氣密封憑借優(yōu)異的動壓效應(yīng)和高氣膜穩(wěn)定性，是目前研究和應(yīng)用最廣泛的槽型，也是動壓密封和動壓軸承中的首選槽型結(jié)構(gòu)[5-6]. 近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者一直在探索比對數(shù)螺旋槽綜合性能更好的槽型. Salant等[7]和Chen等[8]研究對比了斜直線槽和超橢圓曲線槽與對數(shù)螺旋槽的開啟性能及泄漏特性，吳宗祥等[9]和胡丹梅等[10]計算分析了直線槽、圓弧槽及對數(shù)螺旋槽的穩(wěn)態(tài)特性，結(jié)果都表明對數(shù)螺旋槽密封在高工況下的動壓特性獨具優(yōu)勢. 許多學(xué)者還圍繞螺旋槽進行了諸多有意義的改良優(yōu)化，1999年，宋鵬云等[11]提出了一種由內(nèi)外同向螺旋槽和密封壩組成的內(nèi)外螺旋槽密封，可用作內(nèi)裝內(nèi)流或外裝外流機械密封. 2000年，Zheng等[12]開發(fā)了一種新型雙列螺旋槽端面密封，適用于航空發(fā)動機中的大直徑和高轉(zhuǎn)速工況. 為了實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，2001年，天津鼎銘密封公司通過將螺旋槽對稱布置，發(fā)明了一種可雙向旋轉(zhuǎn)的螺旋槽密封結(jié)構(gòu)[13]. 2004~2009年，清華大學(xué)王玉明等[14-16]對螺旋槽密封開展一系列深入研究，先后提出了油膜雙螺旋槽端面密封和雙列單向人字形干氣密封等槽型結(jié)構(gòu)，并進行了試驗驗證和工程試用，最終成功應(yīng)用于石油石化行業(yè)壓縮機中. 2013年，丁雪興等[17]以螺旋槽的流場流線為模型提出了一種擬合曲型槽型，一定工況下的動壓效果比螺旋槽略有提高. 2015年，江錦波等[18]提出一種仿鳥翼微列螺旋槽端面干氣密封結(jié)構(gòu)，一定工況下，該槽型的密封性和穩(wěn)定性較對數(shù)螺旋槽都有顯著提升(軸向氣膜剛度增幅達到30%，泄漏率降幅達到10%)，并于2019年提出一種幾何表征能力更強的廣義對數(shù)螺旋槽[19]，相較于傳統(tǒng)對數(shù)螺旋槽，在氣膜剛度上有一定提升，近期基于微段組合提出的廣義對數(shù)螺旋槽結(jié)構(gòu)模型，進一步建立了廣義對數(shù)螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)定義體系[20]. 可見，圍繞各類槽型的設(shè)計、研究和改進，國內(nèi)外學(xué)者已進行了諸多有益探索，均為獲得更好動壓效應(yīng)和更大剛度的槽型結(jié)構(gòu).目前而言，對數(shù)螺旋槽的研究和應(yīng)用已日臻完美，憑借普通線性槽的設(shè)計和改良很難獲得比對數(shù)螺旋槽性能更全面的槽型，且氣膜剛度直接影響槽型的運行穩(wěn)定性，進一步提升的難度比較大. 基于此，本文中突破傳統(tǒng)線性槽設(shè)計的束縛，借鑒特斯拉閥結(jié)構(gòu)的單向?qū)ㄌ匦?，提出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)對數(shù)螺旋槽動壓集聚特點的新型動壓槽型-特斯拉閥型. 并以特斯拉閥型干氣密封為研究目標(biāo)，系統(tǒng)研究此類新式槽型的多工況密封特性，對比分析對數(shù)螺旋槽和特斯拉閥型在不同工況和幾何參數(shù)下的開啟性、密封性和穩(wěn)定性，以期為此類新型槽型的實際工業(yè)應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 計算模型

1.1 對數(shù)螺旋槽干氣密封

圖1所示為經(jīng)典對數(shù)螺旋槽干氣密封(Spiral groove dry gas seal, S-DGS)端面槽型結(jié)構(gòu)，兩條對數(shù)螺旋線和圓弧線共同組成了1個完整的螺旋槽型. 對數(shù)螺旋槽控制方程如式(1).

式中：r為極徑，rg為起始極徑，這里為干氣密封根徑，α為螺旋角，θ為極徑r處的對數(shù)螺旋線與起始點間的周向夾角，對數(shù)螺旋槽干氣密封的基本幾何參數(shù)列于表1中.

表1 螺旋槽干氣密封幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of S-DGS

Fig. 1 Schematic diagram of logarithmic spiral groove圖1 對數(shù)螺旋槽示意圖

1.2 特斯拉閥結(jié)構(gòu)及工作原理

特斯拉閥是由塞爾維亞裔美籍科學(xué)家尼古拉·特斯拉提出且以自己名字命名的一種單向?qū)饬鏖y，并于1920年申請了發(fā)明專利. 特斯拉閥的主要特點在于其整體無任何活動部件，僅利用空間結(jié)構(gòu)推動氣體流動，無需輸入能量即可實現(xiàn)流體的單向?qū)ㄌ匦訹21].

如圖2所示，流體正向流動(從右至左)與反向流動(從左至右)差別巨大，正向流動時，流體能夠繞過所有的翼狀障礙進而暢通無阻地從右邊流至左邊，并且因流動壓力而獲得加速效果；但流體反向流動時，流體每經(jīng)過1個通道，就向上/下進入1個翼狀障礙，回流會使流動發(fā)生阻塞效應(yīng)且增大壓頭，阻礙流體整體向前流動. 且翼狀障礙越多，流體向前推進的阻力就越大，導(dǎo)致特斯拉閥獨特的單向?qū)ㄐЧ? 研究表明[22-23]，對于兩個通道的特斯拉閥，正向和反向流動的阻力差距可達200倍. 理論上，如果翼狀通道足夠多，特斯拉閥結(jié)構(gòu)可將流體加速至超音速，而相反方向的流動會使翼狀障礙區(qū)域壓頭增大，并逐級建立起多組回流壓力區(qū)域，形成流體動壓效應(yīng).

Fig. 2 Schematic diagram of the Tesla valve圖2 特斯拉閥原理圖

1.3 特斯拉閥型干氣密封

基于特斯拉閥結(jié)構(gòu)的回流阻塞效應(yīng)，認(rèn)為利用這一特性應(yīng)有利于進一步提升微尺度流場間的流體集聚效應(yīng). 同時參考特斯拉閥結(jié)構(gòu)的翼狀障礙幾何特征，建立如圖3(a)所示的端面槽型結(jié)構(gòu)，該槽型由主閥道、支閥道及一定閥道半徑形成的多個翼狀障礙組成. 基于流體動壓密封基本原理，特斯拉閥結(jié)構(gòu)采用單側(cè)貫穿形式，有利于更好地形成集聚效果；考慮旋轉(zhuǎn)流場中流體的流線特點[17]，主閥道翼狀通道寬于支閥道，同時整個閥型采用曲線造型. 由圖3可知，由于密封端面寬度的限制，翼狀通道數(shù)量不能太多，圖中所示結(jié)構(gòu)具有4個翼狀結(jié)構(gòu).

類似于螺旋槽干氣密封，特斯拉閥型干氣密封(Tesla valve-type dry gas seal, TV-DGS)也呈周期性分布，為提高計算效率及網(wǎng)格劃分質(zhì)量，取1個周期內(nèi)的特斯拉槽進行分析計算，計算區(qū)域如圖3(b)所示. 由與內(nèi)外環(huán)同心的圓心O及相應(yīng)閥槽半徑Rv可確定特斯拉閥槽型主閥道位置，m為主閥道寬度，t為支閥道寬度，re為翼狀結(jié)構(gòu)半徑. 翼狀結(jié)構(gòu)由直線和圓弧線(邊側(cè)弧線半徑rs、槽底弧線半徑rm)組成，翼狀結(jié)構(gòu)圓心位置及線段起始點由圖示的夾角α、支閥道內(nèi)外徑(re1、re2)及各交點確定，左側(cè)第一個翼狀通道角度由β設(shè)定，如圖3(b)所示，具體數(shù)值列于表2中.

Fig. 3 Geometric model of TV-DGS圖3 特斯拉閥型干氣密封幾何模型

表2 特斯拉閥型干氣密封幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of TV-DGS

2 分析模型

2.1 基本假設(shè)

基于近年來特斯拉閥的相關(guān)研究[24-25]及動壓機械密封端面流體介質(zhì)屬性特點[26-27]，作如下假設(shè)：

(1) 端面流場中的氣體為連續(xù)介質(zhì)流動；

(2) 流場中氣膜的溫度和黏度相等；

(3) 氣體分子與密封表面牢固吸附，無相對滑移；

(4) 忽略密封副變形對介質(zhì)流動的影響；

(5) 忽略氣體重力的影響；

(6)密封副在運行過程中始終保持平行，不考慮表面粗糙度的影響.

為進一步探究新式槽型在高速下的性能表現(xiàn)，最高計算轉(zhuǎn)速設(shè)為100 000 r/min，此時需要對是否考慮慣性力和離心力進行討論(鑒于研究對象為穩(wěn)態(tài)流動，這里不考慮流體流沿溝槽的局部慣性力影響). 依據(jù)文獻[28]的結(jié)果，是否考慮慣性力和離心力的影響可依據(jù)式(2)進行判斷.

其中：Re為雷諾數(shù)，ρ和μ分別為流體的密度和黏性系數(shù)，U為密封環(huán)平均旋轉(zhuǎn)線速度，l為特征長度，h為密封副間膜厚[29]. 當(dāng)Re與l/h可比擬或同一數(shù)量級時，必須考慮慣性力和離心力的影響，如果差距較大時，即可忽略慣性力的影響.

由表1中密封模型幾何參數(shù)，取研究工況上限值(h=1 μm，N=100 000 r/min)，帶入相應(yīng)數(shù)值后可得上式分別為Re=49.43＜＜l/h=77 780，兩者差距較大，即忽略氣體慣性力和離心力的影響.

2.2 控制方程

依據(jù)基本假設(shè)，選用Fluent流體計算軟件對特斯拉閥槽型內(nèi)的流體流動進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，氣膜壓力控制方程如下：

其中：氣膜厚度分別為(1)槽區(qū)：h(r,θ) =ho+hg；(2)非槽區(qū)：h(r,θ) =ho.ho為非槽區(qū)氣膜厚度，hg為槽深，θ為單位角速度所轉(zhuǎn)過角度，ω為角速度，p為氣膜壓力.

邊界條件有兩類：

a. 強制性邊界條件：外徑處，有P=Pin(外壓)；內(nèi)徑處，有P=Pout(大氣壓).

計算前，還需要對流體流態(tài)進行判定，流體動壓密封流場情況復(fù)雜，存在管流、縫隙流及旋轉(zhuǎn)繞流，不能單純依靠經(jīng)典雷諾數(shù)模型進行流態(tài)判斷[30-31]，對此類流場的流態(tài)選擇問題存在較大爭論[32-34]，計算時選擇層流還是湍流模型學(xué)術(shù)界尚未有統(tǒng)一定論[35-36]. 近期研究表明[37]，層流和湍流對密封性能參數(shù)的影響規(guī)律整體基本一致，主要表現(xiàn)為具體數(shù)值的差別，鑒于此，在滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)時，可以通過直接求解(DNS,direct numerical simulation)實現(xiàn)對流場的分析計算.Fluent求解器中的Laminar模型實際為基于連續(xù)假設(shè)條件的一定網(wǎng)格和步長要求下對方程的直接求解，對計算機的性能有一定要求，鑒于此，本文中計算采用Laminar模型及SIMPLEC算法進行亞松弛迭代計算[38].采用中心差分進行擴散項離散，對流項計算采用二階迎風(fēng)格式，連續(xù)方程和動量方程的壓力值迭代精度相對值設(shè)為10-5，能量方程設(shè)為10-6.

瞬態(tài)計算基于大渦模擬(LES)[39]將瞬時脈動分解為大尺度脈動和小尺度脈動，利用可解尺度的N-S方程直接求出大尺度脈動，小尺度脈動需通過亞格子應(yīng)力模型(Sub-grid scale model)進行模擬求解. 采用密度加權(quán)(Favre)法對傳統(tǒng)大渦模型進行過濾，可得可壓縮大渦模擬控制方程：

其中：xi和xj(i, j=1, 2, 3)為笛卡爾坐標(biāo)，i和j分別為不同方向上的單位矢量為平均密度，ui和uj為速度分量，為熱傳導(dǎo)項為總能為壓強，βij為熱膨脹系數(shù)，為應(yīng)力張量，sij為變形張量，τij為亞格子應(yīng)力(SGS)，Cp為流體的比熱容，Qi為亞格子熱傳導(dǎo)，Di為亞格子黏性擴散項，Ji為亞格子湍流擴散項，αi為吸收系數(shù).

2.3 建模及網(wǎng)格劃分

流體動壓密封微尺度流場的徑向(y向)與厚度方向(z向)尺寸差別達4個數(shù)量級以上，是網(wǎng)格劃分的難點，如處理不當(dāng)會嚴(yán)重影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，對仿真結(jié)果精度造成影響. 而特斯拉閥槽型含有多個翼狀通道，進一步增大了網(wǎng)格劃分的復(fù)雜性. 本文中采用UG軟件對特斯拉閥槽型結(jié)構(gòu)進行三維建模，然后導(dǎo)入Gambit中進行網(wǎng)格劃分，首先將模型在z向放大1 000倍，網(wǎng)格劃分結(jié)束后再逐次將面網(wǎng)格拉伸為體網(wǎng)格，如圖4(a)所示. 這種網(wǎng)格劃分法可較好地保證不同方向上的網(wǎng)格質(zhì)量差別不顯著，也可避免連接面上的Interface設(shè)置. 最后，導(dǎo)入Fluent進行仿真計算，并通過Scale設(shè)置將模型的實際尺寸進行還原.

Fig. 4 Mesh generation and independent analysis圖4 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析

在系統(tǒng)計算前進一步開展網(wǎng)格無關(guān)性分析，圖4(b)所示為開啟力隨網(wǎng)格數(shù)量的變化曲線. 從圖中可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)的增大，開啟力緩慢增大且漸趨穩(wěn)定，在網(wǎng)格數(shù)達到80萬后趨于穩(wěn)定. 因此，后續(xù)計算中，兼顧計算精度和效率的要求，文中選取網(wǎng)格數(shù)量均在100萬左右.

3 計算結(jié)果與分析

3.1 壓力和速度流場分布

圖5所示為兩種槽型在同一工況下的壓力場和速度場分布，由圖5(a)可以看出，TV-DGS的最大開啟力(3.41 MPa)略小于S-DGS (3.97 MPa)，這主要是由于S-DGS在槽根附近具有更大面積的阻流區(qū)，所形成的高壓區(qū)面積更大[40-41]，而TV-DGS的高壓區(qū)域點不止1個，且1個周期內(nèi)TV-DGS的高壓區(qū)域面積明顯大于S-DGS，這也是下文中TV-DGS開啟性能提升的內(nèi)在因素. 圖5(b)所示為同一工況下兩種槽型的速度場分布，可以看出，S-DGS的速度場為單一流線分布，槽區(qū)流向一致(流向槽底)；而右側(cè)TV-DGS的速度場內(nèi)比較復(fù)雜，在每個翼狀通道與主閥道交界處，流線流向不同，出現(xiàn)了流體局部集聚效應(yīng)，這也是圖5(a)中出現(xiàn)多處局部高壓區(qū)的內(nèi)在因素.

Fig. 5 Pressure and velocity fields distribution of TV-DGS and S-DGS (h=3 μm, hg=4 μm, P=2 MPa, N=40000 r/min)圖5 TV-DGS與S-DGS壓力和速度場分布

3.2 TV-DGS與S-DGS性能對比分析

3.2.1 不同膜厚下的性能對比

圖6所示為TV-DGS與S-DGS兩種槽型的開啟力和泄漏量隨膜厚的變化趨勢，可以看出，兩種槽型的開啟力均隨膜厚的增大而降低，泄漏量均隨膜厚的增大而增大. 不同膜厚下TV-DGS的開啟力較S-DGS均有一定提高，膜厚越小提升量越顯著；不同膜厚下TVDGS的泄漏量也較S-DGS略有增大，在膜厚h=3~8 μm區(qū)間內(nèi)增加幅度略大. 可見，維持一定泄漏量的前提下，不同膜厚下TV-DGS具有更好的開啟性能.

Fig. 6 Comparison of opening force and leakage rate between TV-DGS and S-DGS with different film thickness圖6 不同膜厚下TV-DGS和S-DGS的開啟力和泄漏量對比(hg=4 μm, P=2 MPa, N=30000 r/min)

3.2.2 不同槽深下的性能對比

圖7所示為TV-DGS與S-DGS的開啟力和泄漏量隨槽深的變化趨勢，可以看出，在圖示槽深范圍內(nèi)，TV-DGS的開啟力和泄漏量均大于S-DGS，且隨槽深的增大，開啟力和泄漏量的增加幅度越來越大，且兩種槽型的開啟力和泄漏量的變化趨勢也基本一致，均隨槽深的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢. 依據(jù)具體數(shù)值，當(dāng)槽深hg=9 μm時，S-DGS的開啟力和泄漏量最大，當(dāng)槽深hg=11 μm時，TV-DGS的開啟力和泄漏量最大，由圖7可知，對于開啟力，TV-DGS的最優(yōu)槽深值大于S-DGS.

3.2.3 不同壓力下的性能對比

進一步開展了不同壓力下TV-DGS與S-DGS的開啟力和泄漏量對比分析，如圖8所示，兩種槽型的開啟力和泄漏量均隨壓力的升高而增大. 不同壓力下，TVDGS較S-DGS的開啟力略有增大，可見介質(zhì)壓力對提升TV-DGS開啟力作用不顯著；而不同壓力下TV-DGS較S-DGS的泄漏量有一定增大，且隨壓力的增大，泄漏量增大幅值也略有提高.

Fig. 7 Comparison of opening force and leakage rate between TV-DGS and S-DGS with different groove depths圖7 不同槽深下TV-DGS與S-DGS開啟力和泄漏量對比(h=3 μm, P=2 MPa, N=10000 r/min)

Fig. 8 Comparison of opening force and leakage rate between TV-DGS and S-DGS with different pressures圖8 不同壓力下TV-DGS與S-DGS開啟力和泄漏量對比(h=3 μm, hg=5 μm, N=10000 r/min)

3.2.4 不同轉(zhuǎn)速下的性能對比

為檢驗TV-DGS在不同轉(zhuǎn)速下的性能表現(xiàn)，對兩種槽型進行變轉(zhuǎn)速工況研究. 由圖9可知，與傳統(tǒng)槽型類似，兩種槽型的開啟力和泄漏量均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，在高速工況下TV-DGS較S-DGS具有更高的開啟性能. 經(jīng)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過20 000 r/min后，TVDGS的開啟力提升率均在10%以上，且隨轉(zhuǎn)速的升高，提升率呈線性增加.

3.3 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

由前文中可知，TV-DGS主要由主閥道和支閥道在一定曲率和寬度下構(gòu)成，其中支閥道的互聯(lián)又進一步構(gòu)成了各種翼狀結(jié)構(gòu). 為系統(tǒng)研究TV-DGS的工作機制，有必要深入探討各部分幾何參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律及趨勢.

(1)主閥道寬度Bm

Fig. 9 Comparison of opening force and leakage rate between TV-DGS and S-DGS with different speeds圖9 不同轉(zhuǎn)速下TV-DGS與S-DGS開啟力和泄漏量對比(h=3 μm, hg=5 μm, P=2 MPa)

主閥道是TV-DGS中泵入流體的主要流動通道，其寬度的變化對密封性能有較大影響. 由圖10可知，隨著主閥道寬度Bm的增大，開啟力和泄漏量均有較大變化，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢. 最大開啟力出現(xiàn)在Bm=5 mm左右處，最大泄漏量對應(yīng)的Bm約為4.5 mm，隨著主閥道寬度的增大，泄漏量的降低趨勢快于開啟力. 因此，為合理控制泄漏且謀求較大開啟力，主閥道建議取值區(qū)間為Bm=4~6 mm.

Fig. 10 Influence of main valve width on opening force and leakage rate (h=3 μm, hg=4 μm, P=2 MPa, N=40000 r/min)圖10 主閥道寬度對開啟力和泄漏量的影響

(2)支閥道寬度Bt

如圖11所示，支閥道寬度Bt對密封性能的影響也較大，隨著支閥道寬度的增大，泄漏量呈線性持續(xù)增大趨勢；而開啟力隨支閥道寬度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在支閥道寬度Bt=1.9 mm左右時達到最大. 同時基于對泄漏量的考慮，最優(yōu)支閥道寬度建議取值區(qū)間為Bt=1.7~2.1 mm.

(3)閥槽半徑Rv

Fig. 11 Influence of branch valve width on opening force and leakage rate (h=3 μm, hg=4 μm, P=2 MPa, N=40000 r/min)圖11 支閥道寬度對開啟力和泄漏量的影響

Fig. 12 Influence of valve groove radius on opening force and leakage rate (h=3 μm, hg=4 μm, P=2 MPa,N=40000 r/min)圖12 閥槽半徑對開啟力和泄漏量的影響

閥槽半徑?jīng)Q定了特斯拉槽型的流線型程度，半徑的大小對密封性能也有一定的影響，如圖12所示，在研究參數(shù)范圍內(nèi)，泄漏量對閥槽半徑變化的敏感度較低，泄漏量變化不大；而隨著閥槽半徑的增大，開啟力呈明顯的下降趨勢，考慮到較小的閥槽半徑會影響槽型結(jié)構(gòu)和槽數(shù)的設(shè)計，閥槽半徑不宜過小，同時兼顧較大的開啟力和低泄漏量，閥槽半徑建議選擇區(qū)間為22.5~32.5 mm，此時的槽型形狀更適宜流場流體動壓效應(yīng)的形成.

4 抑?jǐn)_特性分析

為進一步研究兩類槽型的穩(wěn)定特性及抑?jǐn)_能力，分別開展同一工況下穩(wěn)態(tài)氣膜特性和瞬態(tài)膜壓波動情況的研究. TV-DGS和S-DGS在同一工況和不同膜厚時的氣膜穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)列于表3中，對比結(jié)果可知，不同膜厚下TV-DGS的開啟力及氣膜剛度均較S-DGS有一定提升，這一結(jié)果實現(xiàn)了對經(jīng)典螺旋槽型干氣密封性能的進一步突破. TV-DGS的泄漏量較螺旋槽略有增加，經(jīng)計算，在干氣密封氣膜穩(wěn)定區(qū)間(膜厚h≈3~6 μm[42-43])內(nèi)，TV-DGS相對S-DGS的剛度提升近20%，這對于干氣密封的穩(wěn)定運行具有重要意義.

表3 不同氣膜厚度下氣膜性能參數(shù)比較(hg=4 μm,P=2 MPa, N=30000 r/min)Table 3 Comparison of film performance parameters with different film thicknesses

瞬態(tài)膜壓波動情況與微尺度密封流場穩(wěn)定性密切相關(guān)，較大的膜壓波動有可能造成流場的微振動，不利于流場氣膜和密封的穩(wěn)定性，這里采用瞬態(tài)膜壓波動幅值進行表征，公式如下[39].

式中：pi為密封端面任意時刻的壓力值，pˉ為整個迭代計算時間段的平均壓力值.

圖13所示為不同轉(zhuǎn)速下兩種槽型的瞬態(tài)膜壓波動幅值方差計算結(jié)果，由圖13可知，TV-DGS較S-DGS的整體壓力波動幅值偏小且更加穩(wěn)定，TV-DGS的膜壓波動幅值方差在不同轉(zhuǎn)速時都處于較低(Pv＜0.4)的水平. 隨著轉(zhuǎn)速的增大，TV-DGS的穩(wěn)定性更好，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過30 000 r/min時，S-DGS的膜壓波動幅值方差隨轉(zhuǎn)速的升高持續(xù)增大，而TV-DGS的相應(yīng)方差值持續(xù)穩(wěn)定在較低水平，由此可知，轉(zhuǎn)速越高，TV-DGS的氣膜穩(wěn)定性越好.

Fig. 13 Comparison of amplitude variance of transient pressure fluctuation with different rotation speeds (h=3 μm,hg=4 μm, P=2 MPa)圖13 不同轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)膜壓波動幅值方差對比

5 Taguchi分析

Taguchi方法的提出多是為了解決各種工程的優(yōu)化問題[44]，憑借其實用性強、高效且系統(tǒng)性強的特點，已被廣泛應(yīng)用于多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計試驗中[45]. 為系統(tǒng)探討工況參數(shù)及TV-DGS各類幾何參數(shù)對密封性能的影響權(quán)重情況，基于Minitab軟件及Taguchi方法，選取3類工況參數(shù)及三種槽型參數(shù)進行模擬試驗. 鑒于閥槽半徑對密封性能影響不顯著，取閥槽半徑Rv=30 mm時進行Taguchi分析，具體因子列于表4中.

表4 6因子5水平試驗表Table 4 6 factors 5 levels experimental table

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，需進行25組模擬試驗，首先按照設(shè)計表進行仿真計算，得出結(jié)果后利用Minitab軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析，可得到各因子對密封開啟力和泄漏量的影響曲線及權(quán)重結(jié)果. 圖14所示為開啟力的影響情況，其響應(yīng)值列于表5中，由表5可知，各因子影響程度的大小順序為介質(zhì)壓力＞膜厚＞槽深＞轉(zhuǎn)速＞支閥道＞主閥道. 由圖14可以看出，當(dāng)各因子分別為P=4.0 MPa，N=30000 r/min，h=3 μm，hg=5 μm，Bm=3 mm和Bt=1.3 mm時，此時的開啟力為相應(yīng)區(qū)間的最大值.

表5 開啟力響應(yīng)表Table 5 Response table for opening force

圖15所示為各因子對TV-DGS泄漏量的影響曲線及權(quán)重結(jié)果，其響應(yīng)值列于表6中，由表6可知，各因子對泄漏量的權(quán)重影響與開啟力略有不同，影響程度的大小排序為介質(zhì)壓力＞膜厚＞轉(zhuǎn)速＞槽深＞主閥道＞支閥道，主要區(qū)別在于膜厚、轉(zhuǎn)速及主支閥道的權(quán)重區(qū)別.分析圖15可以看出，壓力和膜厚對泄漏量的影響均很大，泄漏量最大值對應(yīng)的各個參數(shù)因子分別為P=4.0 MPa，N=10 000 r/min，h=7 μm，hg=4 μm，Bm=2 mm和Bt=0.5 mm.

表6 泄漏量響應(yīng)表Table 6 Response table for leakage rate

綜上可知，各影響因子對開啟力和泄漏量的影響規(guī)律和權(quán)重略有區(qū)別，對應(yīng)開啟力和泄漏量最大值的各參數(shù)因子差別較大. 壓力和膜厚對密封性能的影響權(quán)重最大，轉(zhuǎn)速對泄漏量的敏感程度更高，主支閥道的尺寸對密封性能的影響最小.

6 結(jié) 論

a. 依據(jù)特斯拉閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的新型特斯拉閥型流體動壓機械密封對于進一步提升密封性能有積極作用，TV-DGS與傳統(tǒng)S-DGS相比，尤其在高速、小膜厚及大槽深時，開啟力提升效果更加顯著.

b. 在干氣密封正常運行膜厚區(qū)間內(nèi)，TV-DGS較傳統(tǒng)S-DGS性能優(yōu)勢顯著，氣膜剛度提升效果明顯，有利于進一步提高干氣密封穩(wěn)定性.

Fig. 14 Influence degree of each parameter factors on the opening force of TV-DGS圖14 各參數(shù)因子對TV-DGS的開啟力影響程度

Fig. 15 Influence degree of each parameter factors on the leakage rate of TV-DGS圖15 各參數(shù)因子對TV-DGS泄漏量影響程度

c. 特斯拉槽型的優(yōu)良性能主要在于單向?qū)ê途植慷帱c集聚特性的引入，進一步提高了高壓面積區(qū)域，是此類新型槽型密封性能得以全面提升的關(guān)鍵因素，主閥道、支閥道及閥槽半徑分別具有最優(yōu)值區(qū)間.

d. 基于Taguchi設(shè)計及用Minitab軟件的多參數(shù)系性分析，在研究范圍內(nèi)主、支閥道參數(shù)對密封性能影響最小，壓力和膜厚對開啟力和泄漏量的影響最大.