正五邊形-橢圓形復合微孔化機械密封性能研究*

楊天佑,穆塔里夫·阿赫邁德,b,王禹輝

(新疆大學a.機械工程學院;b.電氣工程學院,烏魯木齊 830047)

0 引言

微孔機械密封是近年來潤滑與密封領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。彭旭東等[2]的研究指出橢圓微孔排布會對泄漏率產(chǎn)生影響;石卓等[3]關(guān)于橢圓微孔在微孔深度等對液膜承載力的影響;張科等[4]的研究指出在不同參數(shù)下關(guān)于方向角影響泄漏率的研究,幾何收斂點會隨著方向角的改變而發(fā)生改變;謝靜、白少先等[5-6]的研究指出傾斜的橢圓微孔會產(chǎn)生上游泵送特性,通過改變參數(shù)可實現(xiàn)零泄露;吉華等[7]的研究表明傾斜橢圓孔會產(chǎn)生回吸,進而降低泄漏量;戰(zhàn)琳月等[8]對其考慮橢圓微孔的方向角進行的不同排布,得到不同排布下泄漏量和開啟力,根據(jù)所需工況選取不同的排布。吉華等[9]的指出等邊三角形微孔的會產(chǎn)生多楔現(xiàn)象,泄漏率和開啟力取最小值,所對應方向角不同;陳胡煒等[10]提出一種新的微孔,具有泄露量小的性能;章亦聰?shù)萚11]提出了一種萊洛三角形微孔;程香平等[12]的研究表明雙向菱形孔有較好的密封特性;阮鴻雁等[13]提出三角形和多圓弧復合織構(gòu),該織構(gòu)具有良好的流體動壓潤滑性能;魏偉等[14-15]的研究指出復合織構(gòu)和復合槽孔織構(gòu)具有較好的密封性能。

目前,對于復合微孔化織構(gòu)機械密封的研究較少。因此,本次研究從正五邊形-橢圓形復合微孔機械密封端面出發(fā),建立了正五邊形-橢圓復合微孔機械密封理論模型。分析不同參數(shù)對承載力和泄漏量的影響,對其微孔進行比較,得到復合微孔密封端面較大的承載力和較小的泄漏量。

1 理論模型

1.1 幾何模型

微孔機械密封的密封環(huán)截面幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,機械密封摩擦副由動、靜環(huán)以及流體膜,內(nèi)徑為rin,外徑為rout,旋轉(zhuǎn)速度為n,微孔深度為hp,密封端面間隙為ho。

圖1 微孔機械密封的密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)示意圖

在動環(huán)上進行開孔,動環(huán)開微孔如圖2所示。微孔沿徑向逐個排布,微孔沿軸向周期對稱,提高計算效率,選取動環(huán)的1/36。

圖2 動環(huán)復合表面微孔

1.2 數(shù)學模型

通過簡化的雷諾方程為:

(1)

流體的局部膜厚為:

(2)

式中:A1為無微孔區(qū)域,A2為有微孔區(qū)域。

施加強制邊界條件,壓力邊界條件為:

(3)

周期性邊界條件為:

(4)

式中:θ1、θ2表示開微孔的流體膜模型在圓周方向的起始角度和終止角度。

聯(lián)立式(1) ～式(4)可以得到簡化計算的流體膜的泄漏量Q、承載力F以及開漏比I:

F=?pdA

(5)

(6)

(7)

1.3 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用mesh模塊對微孔液膜模型進行網(wǎng)格劃分。選取如下:面積率Sp=10%,密封端面間隙ho=2 μm,微孔深度hp=3 μm,旋轉(zhuǎn)速度n=6000 r/min,壓力進口pi=0.2 MPa,壓力出口po=0.1 MPa,網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果影響,隨著網(wǎng)格數(shù)量的逐漸增加,承載力的逐漸增大,直至穩(wěn)定2.62 N附近,其網(wǎng)格數(shù)量為1 903 773,節(jié)點數(shù)3 627 626,網(wǎng)格質(zhì)量平均質(zhì)量為0.91,其網(wǎng)格質(zhì)量較高,因而選取網(wǎng)格數(shù)量為1 903 773個,見圖3。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響

2 計算結(jié)果與分析

2.1 流體膜壓力分布

內(nèi)徑rin=15 mm,外徑rout=20 mm,在面積率Sp=10%,密封端面間隙ho=2 μm,微孔深度hp=3 μm,旋轉(zhuǎn)速度n=7000 r/min,壓力進口pi=0.2 MPa,壓力出口po=0.1 MPa,流體介質(zhì)為清水,其溫度為20 ℃,密度ρ=998.2 kg/m3,粘度μ=1.003 mPa/s。則得到正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔的流體膜壓力分布如圖4所示。

(a) 正五邊形密封端面 (b) 橢圓形微孔密封端面

由圖4可知,流體壓力沿周向成周期性分布,沿徑向從外向內(nèi)逐漸減小。密封環(huán)外徑處線速度大,因此外側(cè)流體可獲得較大的動能和壓力。不同的復合微孔間相互影響,使得復合微孔的動壓效應更強,微孔處的壓力峰值更高,使得流體膜的最大壓力變大。

2.2 微孔深度對密封性能的影響

圖5在面積率Sp=10%,密封端面間隙ho=2 μm,微孔深度hp=1～7 μm,旋轉(zhuǎn)速度n=5000 r/min,壓力進口pi=0.2 MPa,壓力出口po=0.1 MPa下得到不同微孔的泄漏量Q、承載力F以及開漏比I的變化曲線。

(a) 對泄漏量Q的影響 (b) 對承載力F的影響

由圖5a可以看出,當微孔深度hp=3 μm左右時,單一微孔和復合微孔的泄漏量取得了最大值,微孔深度在1～7 μm范圍內(nèi),單一微孔和復合微孔的泄漏量隨微孔深度的增大而先增加后減少,且單一微孔和復合微孔的泄漏量的變化規(guī)律均相同。同時,當在同一微孔深度的情況下,泄漏量由小到大依次為復合微孔、橢圓形微孔和正五邊形微孔。由圖5b可以看出,當微孔深度hp=3 μm左右時,單一微孔和復合微孔的承載力取得了最大值,微孔深度在1～7 μm范圍內(nèi),單一微孔和復合微孔的承載力隨微孔深度的增大而先增加后減少,且單一微孔和復合微孔的承載力的變化規(guī)律均相同。同時,當在同一微孔深度的情況下,承載力由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。由圖5c可以看出,當微孔深度hp=3 μm左右時,單一微孔和復合微孔的漏比取得最小值,微孔深度在1～7 μm范圍內(nèi),單一微孔和復合微孔的開漏比均隨微孔深度的增大而先減小后增大,且單一微孔和復合微孔的開漏比的變化規(guī)律均相同。同時,當在同一微孔深度的情況下,開漏比由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。

2.3 面積比對密封性能的影響

圖6在密封端面間隙ho=2 μm,微孔深度hp=3 μm,面積比Sp=6～24%,旋轉(zhuǎn)速度n=7000 r/min,壓力進口pi=0.2 MPa,壓力出口po=0.1 MPa下得到不同微孔的泄漏量Q、承載力F以及開漏比I的變化曲線。

(a) 對泄漏量Q的影響 (b) 對承載力F的影響

從圖6可以看出,當面積比在6%～24%范圍內(nèi),單一微孔和復合微孔的泄漏量和承載力均隨面積比的增大而升高,且單一微孔和復合微孔的泄漏量和承載力的變化規(guī)律均相同,其開漏比隨面積比的增大而減小,且單一微孔和復合微孔的開漏比的變化規(guī)律均相同。同時,當在同一面積比的情況下,泄漏量由小到大依次為復合微孔、橢圓形微孔和正五邊形微孔,承載力和開漏比由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。

2.4 速度對密封性能的影響

圖7在面積率Sp=10%,密封端面間隙ho=2 μm,微孔深度hp=3 μm,旋轉(zhuǎn)速度n=2000～8000 r/min,壓力進口pi=0.2 MPa,壓力出口po=0.1 MPa下得到不同微孔的泄漏量Q、承載力F以及開漏比I的變化曲線。

(a) 對泄漏量Q的影響 (b) 對承載力F的影響

由圖7a可以看出,當旋轉(zhuǎn)速度在2000～8000 r/min范圍內(nèi),不同微孔的泄漏量均隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而升高,不同微孔泄漏量變化規(guī)律均相同。同時,在同一旋轉(zhuǎn)速度的情況下,泄漏量由小到大依次為復合微孔、橢圓形微孔和正五邊形微孔。由圖7b可以看出,當旋轉(zhuǎn)速度在2000～8000 r/min范圍內(nèi),不同微孔的承載力均隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而升高,復合微孔的承載力上升趨勢明顯,而單一微孔的承載力上升趨勢平緩。不同微孔承載力變化規(guī)律均接近于線性變化。同時,在同一旋轉(zhuǎn)速度的情況下,承載力由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。旋轉(zhuǎn)速度在2000～8000 r/min時,復合微孔的承載力增加了10.24%,復合微孔的變化率最大,橢圓形微的承載力增加了4.16%,正五邊形微孔的承載力增加了2.48%。由圖7c可以看出,當旋轉(zhuǎn)速度在2000～8000 r/min范圍內(nèi),不同微孔的開漏比均隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而降低,不同微孔泄漏量變化規(guī)律均相同。同時,在同一旋轉(zhuǎn)速度的情況下,開漏比由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。

2.5 壓力進口對密封性能的影響

圖8在面積率Sp=10%,密封端面間隙ho=2 μm,微孔深度hp=3 μm,旋轉(zhuǎn)速度n=7000 r/min,壓力進口pi=0.2～0.7 MPa,壓力出口po=0.1 MPa下得到不同微孔的泄漏量Q、承載力F以及開漏比I的變化曲線。

(a) 對泄漏量Q的影響 (b) 對承載力F的影響

由圖8a可以看出,當壓力進口在0.2～0.7 MPa范圍內(nèi),不同微孔的泄漏量均隨壓力進口的增大而升高,不同微孔泄漏量變化規(guī)律均相同。同時,在同一壓力進口的情況下,泄漏量由小到大依次為復合微孔、橢圓形微孔和正五邊形微孔。由圖8b可以看出,當壓力進口在0.2～0.7 MPa范圍內(nèi),不同微孔的承載力均隨壓力進口的增大而升高,不同微孔承載力變化規(guī)律均接近于線性變化。同時,在同一壓力進口的情況下,承載力由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。由圖8c可以看出,當壓力進口在0.2～0.7 MPa范圍內(nèi),不同微孔的開漏比均隨壓力進口的增大而增加,不同微孔承載力變化規(guī)律均接近于線性變化。同時,在同一壓力進口的情況下,開漏比由小到大依次為正五邊形微孔、橢圓形微孔和復合微孔。

3 結(jié)論

(1)建立復合微孔流體膜的幾何模型,通過對其進行數(shù)值模擬,對比其不同參數(shù)等對密封性能的影響規(guī)律。

(2)微孔深度3 μm左右時,單一微孔和復合微孔的泄漏量和承載力均取得了最大值,其開漏比取得了最小值。

(3)復合微孔化機械密封具有較大的承載力和較大的開漏比、較小的泄漏量,復合微孔化端面具有良好的密封性能。