深潜器耐压壳体电缆填料函间隙泄漏分析

陈如木，邱金水，刘伯运

(海军工程大学 动力工程学院,湖北 武汉 430033)

深潜器耐压壳体电缆填料函间隙泄漏分析

陈如木，邱金水，刘伯运

(海军工程大学 动力工程学院,湖北 武汉 430033)

文章针对深潜器耐压壳体电缆填料函间隙泄漏，建立填料函间隙泄漏模型，并进行间隙泄漏量的理论分析；根据填料函泄漏量的影响因素，设计泄漏量正交仿真组，利用计算机仿真技术对各试验组的填料函间隙泄漏模型进行仿真分析，得出各仿真模型泄漏发生时的动态过程，并计算出各模型的泄漏量。运用矩阵分析法对各模型泄漏量进行计算分析，得出各因素对泄漏量的影响权重。

电缆填料函；间隙泄漏；泄漏量；正交仿真试验；矩阵分析法

深潜器在一定深度航行时，其耐压壳体及与之相连的电缆填料函直接和海洋环境相连接，电缆在海水压力作用下容易发生轴向窜动，密封填料和电缆之间粘性所形成的密封遭到破坏，而依靠形变产生的挤压力不足以抵消外界海水压力，从而造成泄漏的发生。另一方面，由于电缆填料函长期与海水接触，而海水具有很强的腐蚀性，填料函结构中的填料及压紧垫圈经长时间的海水腐蚀、外部环境变化等的影响，会发生老化、变形，从而影响其密封效果，对深潜器的安全造成一定的隐患。图1为单根电缆的水密填料函结构图[1]。

1-电缆;2-压紧螺母;3-填料函座;4-垫圈;5-填料;6-杯形管节中间凸台。图1 电缆水密填料函结构图

笔者通过建立泄漏理论模型及仿真模型对深潜器耐压壳体电缆填料函间隙泄漏量进行分析研究，该研究不仅理论描述电缆填料函泄漏发生发展的动态过程，而且提供海水的泄漏速率、泄漏量等许多有用的定量化信息，对电缆填料函新工艺设计的评估、电缆填料函泄漏堵漏方案设计具有指导意义。

1 电缆填料函间隙泄漏模型建立及其理论分析

1.1间隙泄漏模型

建立电缆填料函环形间隙泄漏模型如图2所示，该模型将流体介质通过密封点处的泄漏简化为介质通过内径为d,间隙高度为h,密封总长度为L的环形间隙，h1为电缆与填料函座中间凸台间隙，L1为填料长度。模型内表面为电缆的外表面，模型外表面为电缆填料的内表面，中间凸起部分为填料函座凸台与电缆外表面的间隙，模型长度为两电缆填料长度与填料函座凸台长度之和。

图2 电缆填料函环形间隙泄漏模型横剖面图

1.2泄漏模型理论分析

如图2所示，海水在电缆填料函间隙中产生的流动主要是由于间隙两端压力差造成的流动。由于间隙大小远远小于其他尺寸，可通过平板间隙模型对环形间隙中的流动状况和泄漏量进行研究分析，故将环形间隙泄漏模型简化成如图3所示。

图3 环形间隙泄漏模型

可得环形间隙泄漏中海水速度v：

(1)

泄漏量Q[2]：

(2)

式中：h为环形间隙高度；D为电缆直径；Δp为内外压差；y为间隙中某点距x轴的距离；L为密封总长度；μ为动力黏度。

但当电缆在电缆填料函中处于偏心状态时，如果使用上述理论模型进行泄漏量的计算分析，并不能反应真实的泄漏量，将会产生较大误差。泄漏量在电缆偏心状态下的修正公式：

(3)

式中：ε为偏心率(ε=e/h,e为偏心量)。

从式(3)可知，电缆填料函的间隙泄漏量与电缆直径 、内外压差、间隙高度的三次方、偏心率的二次方成正比，与密封长度成反比，因此从理论分析可知，间隙高度对间隙泄漏量影响最大。

2 间隙泄漏模型仿真及其结果分析

2.1泄漏仿真模型建立

在仿真过程中，由于要考虑电缆在电缆填料函中偏心的情况，所以所建立的泄漏仿真模型只能是三维模型，根据上述理论泄漏模型，并利用UG软件建立如图4所示的电缆填料函间隙泄漏仿真模型。对表2所述的16组正交试验依次建立对应的仿真模型，每组模型的具体尺寸根据表1和表2而定。

图4 电缆填料函环形间隙泄漏模型结构图

因素水平 A1/MPaA2直径/mmA3长度/mmA4高度/mmA5偏心率a1．512200．030b2．013220．050．2c2．514240．070．4d3．015260．090．6

2.2仿真方法

影响电缆填料函环形间隙泄漏量的变量因素很多，如海水压力(深潜器下潜深度)、电缆直径、密封长度、间隙高度、电缆在填料函中的偏心度等等，为了能得出这些因素对电缆填料函间隙泄漏量的影响权重，且进行较少的仿真次数，采用正交试验设计法来设计本次仿真[3]。

对于本文的电缆填料函间隙泄漏量仿真，选定压力、电缆直径、密封长度、间隙高度、电缆在填料函中的偏心度为泄漏量仿真的5因素，分别记作A1、A2、A3、A4、A5，各因素均取4个水平，试验因素水平表见表1。

表2 正交试验表

试验总自由度计算如下：

f=fA1+fA2+fA3+fA4+fA5=(4-1)×5=15，

(4)

式中：fAi为因素Ai的自由度，等于水平数减 1。

所以正交表的总自由度不能小于15，可以选用L16(45)正交表进行正交仿真设计。正交仿真试验以电缆填料函间隙泄漏量为指标，设计正交试验表如表2所示，仅有16组仿真，但却能全面反映各个因素对泄漏量的影响情况。

2.3电缆填料函间隙泄漏仿真试验分析

本文采用STAR-CCM对电缆填料函间隙的泄漏特性及泄漏量进行仿真分析[4]，并将各组泄漏量仿真结果记录于表2。仿真时，入口处选用压力入口边界条件，选用压力出口作为出口的边界条件。间隙中的海水流动模型为湍流模型。

2.3.1 环形泄漏模型流场分析

以第15组为例分析环形泄漏模型压力分布及出口速度矢量分布[5]。图5 中，由压力云图可知，从入口到出口间隙中的压力逐渐下降并均匀递减，这是因为海水在间隙流动的过程中，有部分压力能转变为速度能。但是凹槽内压力并没有下降，与凹槽入口处压力相等，这主要是因为凹槽内流体的迹线发生改变，在槽内形成涡流，使得流体的动能更多地以热能耗散掉，形成压力内能，减小了凹槽前后的压差。由出口速度矢量图可知，位于出口两壁面间隙的中间位置的速度在16.139～16.751 m/s范围内变化，可以看出中间位置的速度基本保持不变，这主要是因为第15组为同心泄漏模型，各位置的间隙高度为一定值。

图5 第15组仿真结果图

2.3.2 偏心泄漏模型流场分析

以第16组为例分析偏心泄漏模型压力分布及出口速度矢量分布[5]。图6中，由压力云图可知，从入口到出口间隙中压力仍均匀递减，但压力在宽间隙较窄间隙递减速率慢，凹槽内压力仍与凹槽入口处压力相等；由出口速度矢量图可知，第16组偏心泄漏模型的出口速度在9.422～15.566 m/s范围内变动，出口最大速度位于宽间隙一边的最中间位置，出口速度较小的区域位于窄间隙一边的区域，这主要是因为电缆与填料间的间隙大小不等，间隙较大的一边，流体能够得到充分流动，故流体速度较大，而间隙较小的一边，两壁面几乎接触，间隙间的流体受壁面摩擦力影响，不能充分流动，流速小，所以模型出口速度矢量会出现如此分布。

(a)压力云图 (b)出口速度矢量图图6 第16组仿真结果图

2.4电缆填料函间隙泄漏量仿真结果分析

电缆填料函间隙泄漏量仿真结果分析采用正交试验分析方法中的矩阵分析法[3]。正交仿真试验的目的就是寻找影响泄漏因素之间的主次顺序,也就是得出各因素各水平对仿真试验结果的影响大小——影响权重。直观分析法和方差分析法只能得出各因素对泄漏量的影响权重，却得不到因素各水平

对泄漏量的影响权重。然而利用矩阵分析法对正交仿真数据进行分析,不仅能得到因素对泄漏量的影响大小,也能得出因素各水平对泄漏量的影响权重。

因素Ai的第j水平下的泄漏仿真试验数据之和为Kij，称为因素Ai的第j水平对仿真试验的影响效应(i=1,2,3,4,5;j=a,b,c,d)。在间隙泄漏仿真试验中，虽然泄漏量越小越好，但为了直观的看出各因素各水平对泄漏量的影响权重大小，令Mij=Kij。称A为各水平对仿真试验影响效应矩阵。记

称C为因素Ai对试验泄漏量的影响权重矩阵。

由矩阵分析法得因素Ai各水平对泄漏量的影响权重为ω=ASCT。

故在电缆填料函间隙泄漏仿真试验中，当压力为3 MPa、电缆直径为14 mm、密封长度为20 mm、间隙高度为0.09 mm、电缆偏心率为0.6时，泄漏仿真模型的泄漏量最大。且由结果分析可知，各个因素对泄漏量的影响度的主次顺序为A4(间隙高度)gt;A1(压力)gt;A3(密封长度电缆直径)gt;A5(电缆在填料函中的偏心率)。

3 结束语

本文所讨论的电缆填料函间隙泄漏仿真模型只是一种理想的形态,实际的泄漏模型要复杂得多，电缆填料函除了发生间隙泄漏外，亦有极大的可能

发生渗透泄漏，即海水以分子形式通过填料间隙渗入舱内，因此电缆填料函的渗透泄漏是我们下一步研究的重点。影响填料函间隙泄漏量的因素也很多，除了电缆周长、间隙高度、密封长度、电缆偏心外,还有一些因素如海水温度、电缆在填料函中的倾斜度等也会对泄漏流量产生影响，需要我们对这些未考虑的因素作进一步的研究与探索。

[1]曹文忠.船舶电缆专用通道密封工艺的方法与应用[J].中国修船，2013，26(2)：28-30．

[2] 周梓荣，彭浩舸，曾曙林.环形间隙中泄漏流量的影响因素研究[J]． 润滑与密封，2005，30(1) ： 7-9．

[3] 杨秀峰.水压环形间隙泄漏特性的理论和实验研究[D].华中科技大学，2012.

[4] 侯煜.基于 CFD 环形间隙泄漏量及摩擦力的仿真计算[D]．太原理工大学机械工程学院，2007．

[5] 蒋俊.间隙密封液压缸泄漏量仿真分析[J]. 润滑与密封,2013，38(7)：75-79．

To solve the clearance leakage of cable stuffing,a leakage model of clearance leakage is established and a theoretical analysis is given to the leakage amount of the model.Orthogonal experiment groups are designed according to the factors of clearance leakage，the leakage model of each experiment is analyzed by computation al fluid dynamics method with the dynamic courses gained and the leakage amount calculated.Every leakage amount is analyzed through matrix,which shows the influencial impact for various factors.

cable stuffing;clearance leakage;leakage amount;orthogonal experiment;matrix analysis

陈如木(1990-)，男，福建大田人，在读硕士研究生，研究方向为舰艇安全技术。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.008

2015-01-15