油气两相回流泵送密封的端面温度分布分析及试验验证

2019-05-30

润滑与密封 2019年5期

(北京化工大学流体密封实验室北京 100029)

近年来，油气两相润滑技术因其效率高、润滑效果好、能耗小等优点，在高速旋转机械领域得到了广泛应用。然而随之而来的油气两相润滑的密封问题，已成为制约其发展的瓶颈。在油气两相条件下，传统的单介质密封不再适用[1]。

目前，国外已经研究出应用于航空发动机高速轴承腔两相混合润滑下的非接触动压密封，如美国NASA利用流体动力和流体静力润滑原理，发展了主要应用于航空高速轴承腔的高性能流体膜密封装置[2]。国内对干气密封和上游泵密封等单介质密封的研究，主要集中在动压槽槽形设计及优化，密封操作参数及结构参数对密封性能的影响，密封端面间流体膜动力状态及热行为等方面[3-5]，而对气液两相混合状态下的密封端面温度的基础理论研究相对较少。密封端面温度不但影响端面变形，也表征了端面的摩擦状态，对密封的运行至关重要，尤其是对于动压密封启停时的非开启状态。在非开启状态下，密封端面温度因干摩擦而急剧上升，进而引起热变形和热应力，直接影响到密封的启停性能。端面温度引起流场和端面相互作用，产生微米级变形，对密封稳态性能也有着不可忽视的影响[6]。因此，本文作者对端面温度的监测和分析有助于研究密封失效的机制，为进一步研究密封端面温度对密封性能的影响提供了依据。

1 工作原理

图1所示是油气两相回流泵送密封(OG-BPS)的结构和工作原理。密封的外侧是润滑油和空气，内侧是空气。当转速超过一定范围时，在旋转元件的高搅拌力和自身离心力的共同作用下，油被分解成小油滴，油滴与空气充分混合形成油气两相介质。

图1 OG-BPS结构和工作原理图

动环低压侧开设微米级的螺旋槽。当密封运转时，高压侧的流体从密封环外侧进入端面，部分流体泄漏到低压侧，由于螺旋槽的存在，泄漏流体被吸入槽中并随槽一起旋转。当流体移动到螺旋槽的根部时，流道变窄，流体在此处聚集，从而产生高压区并起到密封作用。其中，泄漏流体在低压侧被“吸回”到高压侧的效果称为“回流泵送”。

当转速低于开启转速时，密封环相互接触，称此状态为未开启态。当转速高于开启转速时，密封环不再相互接触，称此状态为开启态。由于2种状态的传热机制不同，以下将分别进行分析。

2 热-固耦合分析模型

2.1 物理模型

槽形为螺旋槽，其表达式为

r=rgeθtanα

(1)

式中：rg为槽根半径，mm；θ为螺旋线转角，(°)；α为螺旋角，(°)。

密封的具体结构尺寸及操作参数如表1所示。

表1 OG-BPS的结构参数和操作参数

鉴于几何模型的中心对称和周期性，选取密封环一个周期作为计算区域。周期性边界条件为

{φ(r,θ2,z)=φ(r,θ1,z)

θ2=θ1+2π/Ng

(2)

开启态和未开启态下的数值模型如图2所示。开启态下的流体域分为2个区域，分别是槽区流体域和膜区流体域。流体域单周期模型(厚度方向尺寸放大1 000倍)如图2(c)所示。

图2 数值分析模型

2.2 网格划分及验证

根据文献[7]，在槽区厚度方向上以1 μm划分一层网格，膜区划分8～10层网格时计算精度最高。因此，槽区流体域划分5层网格，膜区划分9层网格。由于模型中存在螺旋线与圆弧线相交的尖点，因此在ICEM软件运用进行拓扑原理划分六面体网格，对网格进行修复，提高网格质量。经网格无关性验证，最终动环网格数为1 218 009，静环网格数为1 022 300，周期流体域网格数为492 600；未开启态下的网格数为2 389，网格平均质量0.998。网格划分如图3所示。

图3 网格划分

2.3 热平衡分析

由于密封边界复杂，因此进行如下假设[8]：(1)密封环的温度场为稳态温度场；(2)介质泄漏率很小，认为热量全部由密封环传递；(3)开启态时密封动静环端面热流密度均匀分布；(4)与动、静环接触的密封元件的热边界为对流换热；(5)与辅助密封元件O形圈相接处的边界为绝热边界；(6)密封介质和密封环材料的性质不随温度变化。

图4所示是密封环的理论模型。密封在开启态下，其端面间的黏性剪切热为QV；密封在未开启态下，动环、静环端面间摩擦热为QF；辅助密封O形圈的摩擦热和弹簧的振动热等为QG，由于其热量很小，因此计算时忽略。散热包括：动环旋转时表面与油气两相流体、空气的强对流换热QA1、QA2；静环与油气两相流体、空气的弱对流换热QB1、QB2；动环传递给轴、静环传递给静环座的热量QC1、QC2；流出密封端面的气相、液相带走的热量QD1、QD2。根据微流场的计算结果，密封进出口的介质质量流量很小，为10-6g/s量级，可视为零泄漏[9]，因此忽略介质带走的热量。