氣液兩相條件下迷宮密封泄漏分析與試驗(yàn)研究

曹恒超 徐乙人 孫楠楠 陸 健 朱桂香 李永健

1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊，261061 2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084 3.濰柴重機(jī)股份有限公司，濰坊，261108

0 引言

迷宮密封是應(yīng)用廣泛的非接觸式密封，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。迷宮密封在氣相和液相介質(zhì)環(huán)境下均可使用，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流路中的迷宮密封均工作在氣體中，而油泵及齒輪箱軸端位置的迷宮密封一般工作在液體環(huán)境或氣液兩相環(huán)境中。本文中大型船用柴油機(jī)曲軸箱軸端位置采用了非接觸式的迷宮密封，被密封介質(zhì)為滑油和空氣的混合物。利用迷宮結(jié)構(gòu)對(duì)氣液兩相介質(zhì)進(jìn)行密封在工程上較為常見。ZHANG 等[4]研究了迷宮密封在多相泵氣泡流條件下的密封性能，并研究了迷宮密封對(duì)泵振動(dòng)特性的影響。高旺[5]針對(duì)某高速列車齒輪箱迷宮密封和甩油環(huán)，分析了各種因素對(duì)密封間隙的影響，為高速列車齒輪箱迷宮密封間隙計(jì)算提供了理論支持。朱小晶[6]通過對(duì)某動(dòng)車組牽引齒輪箱軸端迷宮密封進(jìn)行CFD流場(chǎng)仿真，確定了密封結(jié)構(gòu)中軸承座與甩油環(huán)密封空腔的最佳深度比值。徐繼林[7]研究了船用大型低速主機(jī)主軸承的迷宮密封，通過改進(jìn)油槽、回油孔及密封環(huán)的結(jié)構(gòu)，排除了漏油故障。曹海軍[8]設(shè)計(jì)了一種離心式軸端密封結(jié)構(gòu)，利用回轉(zhuǎn)軸上的密封蓋和甩油環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油氣腔的密封，解決了漏油問題。

氣液兩相介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)行為非常復(fù)雜，很多情況下難以準(zhǔn)確描述，在軸承腔、齒輪箱及曲軸箱等油氣腔的軸端密封中，一般要求液相介質(zhì)的泄漏量不超過一定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空氣的泄漏往往沒有明確限制，但兩種介質(zhì)的泄漏是密切聯(lián)系的。對(duì)于迷宮密封在氣液兩相介質(zhì)條件下的應(yīng)用研究，研究人員一般重點(diǎn)關(guān)注某一種改進(jìn)措施的有效性，對(duì)氣液兩相介質(zhì)的泄漏機(jī)理和密封機(jī)制缺乏深入研究。本文以大型船用柴油機(jī)曲軸箱迷宮密封為研究對(duì)象，通過開展泄漏測(cè)量試驗(yàn)獲得兩相介質(zhì)條件下的泄漏特性，利用FLUENT軟件進(jìn)行流場(chǎng)及油滴運(yùn)動(dòng)仿真，揭示密封機(jī)理和泄漏規(guī)律，最終提出改進(jìn)措施并驗(yàn)證措施的有效性。

1 密封結(jié)構(gòu)

圖1為船用大型柴油機(jī)曲軸箱的迷宮密封結(jié)構(gòu)示意圖，其中轉(zhuǎn)軸、飛輪輪轂和甩油盤為轉(zhuǎn)動(dòng)件，而箱體蓋板、擋油盤和墊板為靜止件。為防止轉(zhuǎn)靜子碰摩，轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜止件之間的半徑間隙設(shè)計(jì)值為0.75 mm。曲軸箱內(nèi)的液相介質(zhì)為滑油，腔內(nèi)最高溫度為80 ℃，腔內(nèi)最大壓力為3 kPa(表壓)。圖1中密封裝置的左側(cè)為油氣腔，右側(cè)為外界空氣環(huán)境，泄漏路徑已在圖中用箭頭示出，具體為：油氣混合物繞過甩油盤和擋油盤，然后穿過飛輪輪轂和箱體蓋板之間的間隙，最后泄漏進(jìn)入外界環(huán)境。箱體蓋板的內(nèi)孔表面加工有一組迷宮齒槽，迷宮齒槽與飛輪輪轂之間構(gòu)成了典型的直通式迷宮結(jié)構(gòu)。對(duì)密封裝置整體而言，轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜止件之間形成了曲折的泄漏通道，包含一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，所以亦可認(rèn)為甩油盤、擋油盤、飛輪輪轂及箱體蓋板等構(gòu)成了更復(fù)雜的迷宮密封。

如圖1所示，擋油盤底部設(shè)計(jì)有漏油孔，該漏油孔可使擋油盤底部的滑油流回腔內(nèi)，避免此處積聚滑油。箱體蓋板上迷宮齒槽的底部通過一組回油孔與U形管連接，迷宮齒槽收集的滑油沿回油孔和U形管流回腔內(nèi)。U形管作為回油通道的同時(shí)，其內(nèi)部存儲(chǔ)的滑油還可阻止腔內(nèi)氣體沿U形管外漏。

圖1 曲軸箱迷宮密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of labyrinth seal on crankcase

在曲軸箱工作時(shí)，允許曲軸箱內(nèi)的空氣排至腔外，但不允許曲軸箱軸端位置出現(xiàn)明顯的滑油泄漏，暫定的泄漏量上限值為5 mL/h。在整機(jī)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在曲軸箱腔內(nèi)壓力值接近3 kPa時(shí)軸端密封處滑油泄漏量超過暫定標(biāo)準(zhǔn)。雖然可通過在腔體上安裝抽氣設(shè)備達(dá)到降低腔壓并避免滑油泄漏的目的，但這種方法會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，因而不被接受，仍需研究密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。

為便于開展試驗(yàn)，按圖1設(shè)計(jì)并加工了迷宮密封試驗(yàn)件，試驗(yàn)件的各間隙尺寸及迷宮齒槽尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同，但縮小了各零件的徑向尺寸。在試驗(yàn)件中，箱體蓋板內(nèi)孔與飛輪輪轂之間的半徑間隙保持為0.75 mm，箱體蓋板上內(nèi)孔直徑縮小為φ186 mm，甩油盤的外徑縮小為φ316 mm。箱體蓋板試驗(yàn)件上的三個(gè)迷宮齒槽的截面為梯形，槽寬為9.04 mm，槽底部的寬度為6.24 mm，槽深為4.5 mm，相鄰迷宮齒槽所夾迷宮齒的齒頂寬度為0.4 mm。根據(jù)換算，試驗(yàn)件的最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速須不低于2000 r/min。下文所述的仿真和試驗(yàn)工作均基于試驗(yàn)件尺寸進(jìn)行，以方便將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

2 氣液兩相介質(zhì)泄漏仿真

在FLUENT軟件中開展氣液兩相介質(zhì)泄漏仿真分析，雖然流體域可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，但為便于研究油滴在壁面旋轉(zhuǎn)條件下的泄漏行為，本文基于三維幾何模型進(jìn)行仿真分析。建立1/16流體域三維幾何模型，如圖2所示。流體域兩側(cè)的“分割面”采用周期性對(duì)稱邊界條件，流體域入口壓力設(shè)置為3 kPa(表壓)，出口壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，靜止壁面和旋轉(zhuǎn)壁面處均采用“固壁邊界條件”。使用理想氣體模型描述空氣物理特性，基于RNGk-ε模型計(jì)算求解。因流體域具有回轉(zhuǎn)特征，故采用了掃掠式網(wǎng)格劃分方法。在仿真過程中開展了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)箱體蓋板與飛輪輪轂間隙處的網(wǎng)格尺寸依次為0.05 mm、0.03 mm和0.02 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)依次約為37萬、74萬和200萬，計(jì)算得到的泄漏量相差不超過2%。為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確并兼顧計(jì)算效率，在模型中寬度小于1 mm的縫隙處，網(wǎng)格尺寸按0.05 mm設(shè)置，且保證網(wǎng)格層數(shù)不小于15。

圖2 流體域幾何模型及邊界條件Fig.2 Geometric and boundary conditions offluid domain

FLUENT軟件中提供了多種兩相流計(jì)算模型，包括離散相模型(discrete phase model, DPM)、流體體積模型、歐拉模型及混合模型[9]，其中離散相模型適用于第二相體積占比低且以液滴、顆粒等形式離散分布的情況[10-11]。在曲軸箱工作過程中，大部分滑油在重力作用下直接流至箱體底部，少部分滑油因飛濺、霧化等作用彌散在曲軸箱腔內(nèi)，因軸端迷宮密封無法完全阻止空氣泄漏，所以可出現(xiàn)少量滑油在氣流輸運(yùn)作用下泄漏至腔外的現(xiàn)象。依據(jù)實(shí)際滑油泄漏情況及空氣泄漏量的計(jì)算結(jié)果可以判斷，迷宮密封流體域內(nèi)液相體積百分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，因此基于離散項(xiàng)模型開展氣液兩相介質(zhì)泄漏仿真是合理的。

模型中的油滴運(yùn)動(dòng)條件定義如下：油滴沿垂直于入口界面的方向飛入，其初速度為小值，當(dāng)油滴與壁面接觸時(shí)，油滴被吸附，油滴運(yùn)動(dòng)至出口后，油滴逃逸至外界環(huán)境。在模型中定義一系列尺寸的油滴粒子后，便可在計(jì)算結(jié)果中獲得一系列尺寸油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在腔壓3 kPa、轉(zhuǎn)速2000 r/min的條件下，計(jì)算得到的氣體壓力分布見圖3a，氣體速度矢量圖見圖3b。在圖3a中，可見甩油盤和擋油盤處氣流壓力損失較小，大部分壓力損失集中在輪轂和箱體蓋板之間的間隙及迷宮齒槽處。在輪轂和蓋板之間的間隙值為0.75 mm的情況下，空氣泄漏量計(jì)算結(jié)果為46.5 m3/h。通過改變流體域的幾何特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)飛輪輪轂和箱體蓋板之間的小間隙起著主要的節(jié)流作用，很大程度上決定了空氣泄漏量。而箱體蓋板上迷宮齒槽的形狀和數(shù)量對(duì)空氣泄漏量影響相對(duì)較小，取消三個(gè)迷宮齒槽的情況下，空氣泄漏量增加約20%。

(a)壓力云圖

根據(jù)圖3b中的氣體速度矢量圖，在2000 r/min轉(zhuǎn)速條件下，甩油盤等旋轉(zhuǎn)件的壁面使流體域內(nèi)的空氣出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的周向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，另外迷宮齒槽的空腔中存在氣流漩渦。通過對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)速條件進(jìn)行對(duì)比分析可知，雖然壁面旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致氣流出現(xiàn)顯著周向旋轉(zhuǎn)，但在不超過2000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)速對(duì)空氣泄漏量的影響仍是微弱的。

圖4所示為粒徑為20 μm、10 μm、5 μm和1 μm油滴運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和腔壓值亦為2000 r/min和3 kPa?？梢娫谛D(zhuǎn)氣流的作用下，進(jìn)入密封裝置的油滴會(huì)迅速獲得周向速度，粒徑越大的油滴，越容易在離心力和慣性力的作用下與壁面接觸，而粒徑小的油滴更傾向于沿著氣流的流線運(yùn)動(dòng)，并可能逃逸至外界環(huán)境中。圖4a中粒徑為20 μm的油滴在密封裝置入口附近便全部與壁面碰撞；如圖4b所示，10 μm粒徑的油滴運(yùn)動(dòng)距離有所增加；而在圖4c中一部分5 μm粒徑的油滴成功越過了擋油盤，但仍未能逃逸，在圖4d中，1μm粒徑的油滴中已有相當(dāng)一部分逃逸至外界環(huán)境中，根據(jù)逃逸液滴數(shù)量及液滴總數(shù)量可算得1μm粒徑油滴的逃逸率為36%。雖然實(shí)際情況下油氣兩相介質(zhì)運(yùn)動(dòng)行為極為復(fù)雜，油滴與壁面接觸后的鋪展、破碎、融合及吹起等行為難以準(zhǔn)確描述，油滴的初始粒徑分布亦無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但仍可從油滴泄漏仿真分析得到以下結(jié)論：①存在空氣泄漏時(shí)，迷宮密封難以阻止微小油滴的泄漏；②雖然甩油盤和擋油盤對(duì)氣體的阻力較小，但在攔截大粒徑油滴方面發(fā)揮著重要作用。

(a)粒徑為20 μm油滴軌跡(b)粒徑為10 μm油滴軌跡

3 氣液兩相條件下的密封試驗(yàn)

根據(jù)曲軸箱迷宮密封實(shí)際結(jié)構(gòu)和工況條件搭建了氣液兩相迷宮密封試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置由供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)及試驗(yàn)腔體等組成，可在該試驗(yàn)裝置中設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、腔內(nèi)壓力、供油溫度及供油壓力等參數(shù)。試驗(yàn)腔體的三維結(jié)構(gòu)見圖5，試驗(yàn)腔體被密封裝置分隔為油霧腔和空氣腔，油霧腔用于模擬曲軸箱內(nèi)部的油氣兩相環(huán)境，油霧通過壓力霧化噴嘴產(chǎn)生。

圖5 氣液兩相密封試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of test rig for gas-liquid two-phase seal

在試驗(yàn)裝置進(jìn)氣管路上設(shè)置渦街流量計(jì)以測(cè)量空氣泄漏量，流量計(jì)測(cè)量精度為±1.5%，測(cè)量范圍為7～56 m3/h。利用量筒測(cè)量漏油速率，需測(cè)量?jī)蓚€(gè)位置的漏油速率，分別是箱體蓋板正下方的“集油孔一”和空氣腔底部的“集油孔二”，“集油孔一”與圖1中的U形管對(duì)應(yīng)，“集油孔二”與泄漏至外界環(huán)境的滑油量相對(duì)應(yīng)。測(cè)量空氣泄漏量及漏油速率可為氣液兩相密封機(jī)理研究及密封裝置改進(jìn)提供依據(jù)。為保證供油溫度在要求范圍內(nèi)，將油溫測(cè)量熱電偶設(shè)置在壓力霧化噴嘴附近，并由試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)節(jié)油箱加溫功率。絕大部分滑油在重力作用下沿油霧腔底部的回油管回到油箱，實(shí)現(xiàn)了滑油循環(huán)利用，這使得試驗(yàn)狀態(tài)能夠長(zhǎng)時(shí)間保持，從而避免了試驗(yàn)啟停過程中壁面滑油黏附帶來的泄漏量測(cè)量誤差。

在試驗(yàn)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，噴油條件對(duì)漏油速率有明顯影響，根據(jù)調(diào)試情況將噴油壓力設(shè)置為5.5 MPa，此時(shí)的漏油速率水平適中，便于使用量筒測(cè)量。供油溫度值設(shè)置為45±3 ℃，此時(shí)油品黏度約為30 MPa·s，通過調(diào)節(jié)供氣閥門使油霧腔的壓力保持在3 kPa；供氣溫度與環(huán)境溫度相近，為18±3 ℃。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍為0～2400 r/min，每間隔400 r/min設(shè)置一個(gè)漏油速率測(cè)量點(diǎn)。為便于對(duì)比不同密封結(jié)構(gòu)的密封能力，本文中的漏油速率均按上述參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。

圖6為試驗(yàn)測(cè)得的漏油速率隨轉(zhuǎn)速變化曲線，其中最終泄漏量是指在空氣腔中“集油孔二”處測(cè)得的漏油速率，而總和泄漏量是“集油孔一”和“集油孔二”的漏油速率的總和。最終泄漏量為泄漏至外界環(huán)境的泄漏量，能夠表征密封裝置整體的密封性能?？偤托孤┝繛槔@過甩油盤和擋油盤的總油量，可反映擋油盤和甩油盤對(duì)滑油的密封作用。由圖6可知，在試驗(yàn)工況條件下，密封裝置的總和泄漏量顯著高于最終泄漏量，這說明有相當(dāng)比例的滑油從U形管處流回腔內(nèi)。

圖6 原密封結(jié)構(gòu)的漏油速率Fig.6 The oil leakage rate of original seal structure

(a)未安裝擋油盤(b)未安裝甩油盤和擋油盤圖7 無擋油盤或甩油盤的密封結(jié)構(gòu)Fig.7 Sealing structure without oil baffle or slinger

為驗(yàn)證密封裝置中甩油盤和擋油盤的滑油密封作用，對(duì)圖7所示的兩種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了漏油速率測(cè)量，其中圖7a所示的密封結(jié)構(gòu)中取消了擋油盤，而圖7b所示結(jié)構(gòu)中同時(shí)取消了甩油盤和擋油盤。

(a)未安裝擋油盤時(shí)的漏油速率

圖8a所示為圖7a中密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的漏油速率曲線，與圖6對(duì)比可知，在不安裝擋油盤時(shí)，最終泄漏量和總和泄漏量均有所增加，各轉(zhuǎn)速條件下的最終漏油量大約增加一倍。圖8b所示為圖7b密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的漏油速率曲線，可見不安裝甩油盤和擋油盤條件下，漏油速率增加10倍以上。還測(cè)量了圖7兩種密封結(jié)構(gòu)的空氣泄漏量，結(jié)果表明是否安裝擋油盤或甩油盤對(duì)空氣泄漏量影響較小，取消擋油盤和甩油盤后空氣泄漏量增幅不超過10%。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油霧腔中的滑油霧化良好時(shí)，空氣腔一側(cè)的排氣口均能觀察到霧狀滑油溢出，這驗(yàn)證了難以阻止微小油滴隨空氣泄漏的分析結(jié)論。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證

空氣對(duì)滑油的向外輸運(yùn)是滑油泄漏的驅(qū)動(dòng)力，減少空氣泄漏有助于減少滑油泄漏。另一方面，甩油盤、擋油盤及U形管的擋油、回油行為已被證明具有顯著減漏效果，所以可以進(jìn)一步改進(jìn)密封裝置中的擋油、回油結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)靜子之間理論間隙不得小于0.75 mm，故難以縮小箱體蓋板和飛輪輪轂之間的間隙。經(jīng)研究，提出了圖9所示的兩種改進(jìn)方案。在圖9a所示的方案中，擋油盤上增加了一組直通式迷宮齒，迷宮齒形狀為矩形，新增迷宮齒的齒頂間隙值為1 mm。圖9b的改進(jìn)方案在擋油盤和飛輪輪轂之間設(shè)置了交錯(cuò)式迷宮結(jié)構(gòu)[12-13]，其齒形亦為矩形，交錯(cuò)迷宮的徑向間隙和軸向間隙均為1 mm。在這兩種改進(jìn)方案中，均取消了擋油盤正下方的漏油孔(圖1)，目的是防止滑油沿該漏油孔向外泄漏，避免油氣混合物繞過新增的迷宮結(jié)構(gòu)。

(a)改進(jìn)方案一 (b)改進(jìn)方案二圖9 兩種增加迷宮結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案Fig.9 Two improved structures with added labyrinth

對(duì)圖9所示兩種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并在試驗(yàn)裝置中測(cè)量其空氣泄漏量和漏油速率。表1為腔壓為3 kPa、轉(zhuǎn)速為2000 r/min條件下的空氣泄漏量數(shù)據(jù)，可見兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的空氣泄漏量相對(duì)原結(jié)構(gòu)均明顯下降，方案一的空氣泄漏量降幅約為20%，而采用交錯(cuò)迷宮的方案二空氣泄漏量降幅達(dá)到了60%。圖10為兩種改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)的壓力分布圖，可見泄漏壓力損失不再集中于擋油盤和輪轂之間的迷宮間隙處。在圖10a中，擋油盤處新增迷宮結(jié)構(gòu)承擔(dān)了約1 kPa的壓降，約占總壓降的1/3。在圖10b中，交錯(cuò)迷宮結(jié)構(gòu)承擔(dān)了約2 kPa的壓降，約占總壓降的2/3。顯然增加的交錯(cuò)迷宮結(jié)構(gòu)承擔(dān)了大部分泄漏阻力，并使空氣泄漏量減少。

表1 原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的空氣泄漏量

(a)改進(jìn)方案一

在氣液兩相迷宮密封試驗(yàn)裝置中測(cè)量?jī)煞N改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)的滑油泄漏特性，方法及條件參數(shù)與第3節(jié)相同，獲得的滑油泄漏特性曲線見圖11。將圖11a與圖6所示原密封結(jié)構(gòu)滑油泄漏曲線進(jìn)行對(duì)比可知，改進(jìn)方案一在零轉(zhuǎn)速時(shí)的漏油速率有所增大，但其他轉(zhuǎn)速條件下的泄漏量均減小，特別是“最終泄漏量”有較大降幅。將圖11b與圖6進(jìn)行對(duì)比可知，增加交錯(cuò)迷宮結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案二各轉(zhuǎn)速點(diǎn)滑油泄漏速率均有減小，沒有出現(xiàn)零轉(zhuǎn)速點(diǎn)漏油速率顯著增大的情況，且400 r/min及更高轉(zhuǎn)速條件下的漏油速率亦減小至很低的水平。

零轉(zhuǎn)速不包含在正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，因此統(tǒng)計(jì)了400 r/min以上轉(zhuǎn)速點(diǎn)漏油速率的平均值，結(jié)果見表2。由表2可知，改進(jìn)方案一的總和漏油速率為原結(jié)構(gòu)的50%，最終漏油速率為原結(jié)構(gòu)的20%。改進(jìn)方案二的總和漏油速率為原結(jié)構(gòu)的30%，最終漏油速率僅為原結(jié)構(gòu)漏油速率的4.5%。

(a)改進(jìn)方案一

表2 原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的平均漏油速率

零轉(zhuǎn)速條件下，進(jìn)入密封裝置的滑油主要依靠重力作用流回腔內(nèi)，不存在離心作用，圖9a中擋油盤的迷宮齒會(huì)對(duì)重力回油產(chǎn)生一定的阻礙作用，導(dǎo)致更多的滑油在氣流吹拂作用下進(jìn)入箱體蓋板和輪轂的間隙處，這是改進(jìn)方案一中零轉(zhuǎn)速時(shí)漏油量增大的原因。而在圖9b的改進(jìn)方案中，新增的交錯(cuò)迷宮結(jié)構(gòu)在擋油盤和輪轂之間，不會(huì)阻礙零轉(zhuǎn)速條件下的重力回油行為，因此改進(jìn)方案二中沒有出現(xiàn)零轉(zhuǎn)速時(shí)漏油量增大的情形。在兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，最終漏油量的下降幅值均明顯高于總和漏油量的下降幅值，這可能與改進(jìn)方案取消了擋油盤底部的漏油孔有關(guān)。

本節(jié)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：在密封裝置中增加迷宮齒能夠減少空氣泄漏，進(jìn)而使滑油泄漏量減??；間隙相同的條件下交錯(cuò)式迷宮結(jié)構(gòu)的密封效果顯著優(yōu)于直通式迷宮結(jié)構(gòu)；取消擋油盤底部的回油孔不會(huì)造成漏油量增大，反而可能減小滑油泄漏量。

5 結(jié)論

對(duì)氣液兩相條件下的迷宮密封進(jìn)行了仿真分析、試驗(yàn)研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

(1)可利用迷宮密封中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)對(duì)油氣兩相介質(zhì)進(jìn)行分離和回油，但這種分離和回油作用對(duì)微米級(jí)粒徑或更小粒徑的微小油滴效果有限。

(2)同樣間隙條件下，交錯(cuò)式迷宮結(jié)構(gòu)的密封效果顯著優(yōu)于直通式迷宮結(jié)構(gòu)，可利用交錯(cuò)迷宮結(jié)構(gòu)降低空氣泄漏，進(jìn)而減少空氣對(duì)液相介質(zhì)的向外輸運(yùn)。

(3)在氣液兩相介質(zhì)的迷宮密封設(shè)計(jì)中，甩油、擋油及回油結(jié)構(gòu)對(duì)液相介質(zhì)的泄漏行為具有重要影響，需結(jié)合迷宮結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。