一字槽柱面气膜密封性能的仿真分析

2020-06-24

流体机械 2020年5期

（昆明理工大学机电工程学院，昆明 650500）

0 引言

现代航空燃气轮机研制已达到较高水平，研究表明，航空发动机的主流道结构设计成本呈指数性增长[1]，与改善其次流道密封结构来提高发动机整机效率的途径相比，先进密封技术降低发动机燃油功耗的成本更低，泄漏量更少，可使发动机的效率获得更大提升[2-3]。因此，NASA在先进亚声速技术项目中设计了诸多的先进密封结构，其中包括刷式密封、端面气膜密封以及本文研究的柱面气膜密封等，其研究成果表明，柱面气膜密封可以提高密封装置性能，减少泄漏量，使发动机在恶劣的工作环境中延长寿命，并且可以降低发动机耗油率，从而直接减少发动机的使用成本[4-6]。柱面气膜密封作为一种先进的非接触式密封[7]，具有寿命周期长、可靠性高和浮动自适应性好等优点[8-9]，其中，该密封结构在自适应方面的优势可以用来解决转子的大动态位移问题[10-11]，因此具有很高的研究价值。

柱面气膜密封结构主要由柔性支撑系统和浮环构成，利用流体的动压效应，产生气体阻塞流来达到密封目的[12]。由于柱面气膜密封结构尺寸较小，复杂槽型加工十分困难，使其很难投入实际生产应用中[13]。而一字槽柱面气膜密封不仅加工工艺易实现，加工成本低，还有长方形坝区用来阻塞流体，使动压效应明显，从而提高密封气膜刚度，保证密封的稳定性。

目前，马纲等运用数值计算的方法研究出双向旋转柱面气膜密封的稳态及动态特性参数随不同参数的变化规律[14]；并且采用仿真模拟的方法研究了螺旋槽柱面气膜密封的各项参数对柱面气膜密封性能的影响情况[15]。徐万孚等提出为了考虑实际应用问题，螺旋槽气膜密封的动压槽槽型参数的优化还需要考虑动态性能和自振稳定性等[16]。丁雪兴等进一步对螺旋槽柱面气膜密封的稳态特性进行分析[17]。Wang等利用CFD软件模拟研究了3种膜厚下螺旋槽干气密封端面气膜沿周向和径向的温度分布[18]。苏泽辉等运用三维仿真研究了T型槽的密封特性[19]。迄今为止，一字槽柱面气膜密封稳定运转过程中的密封性能分析尚未得到深入研究。所以本文采用一字槽柱面气膜密封结构作为研究对象，以理想气体为气膜介质，运用CFD数值分析探究其密封性能。在Creo中建立柱面气膜的参数化三维模型，然后运用ANSA划分网格，使用FLUENT软件分析操作参数和槽型参数对柱面气膜密封性能的影响。

1 柱面气膜密封的结构原理及模型建立

1.1 密封原理

如图1所示，柔性支承柱面气膜密封的转轴与浮环安装时存在偏心，通过转轴高速旋转让转轴和浮环之间产生动压密封气膜，在流体动压效应下形成一定的刚度气膜，隔绝或减缓高压侧向低压侧的气体流动，并使转轴与浮环在密封过程中相互分离，保持非接触的动态平衡[20]。由于浮环与转轴间不发生接触，该密封结构可以避免磨损和摩擦，延长密封寿命，增加密封的可靠性[21～23]。

图1 柱气膜密封结构示意

1.2 网格划分与独立性检验

气膜平均厚度在微米级别，由于仿真结果会直接受到网格划分质量的影响，而ANSA软件可以有效调节模型分辨率，高质量地显示出微米级别的槽，所以本文选用前处理ANSA 软件对所建模型进行网格划分。如图2所示，基于流体计算精度准则，在只有微米级别的模型气膜厚度方向划分为5层，并采用正交性较好的六面体网格，使模拟结果更准确。

图2 柱气膜密封结构网格划分示意

图3示出平均气膜厚度为20 μm时的气膜泄漏量Q在不同网格数N下的计算结果，可以看出不同的网格数下得到的结果误差小于2%，可以认为结果可取。综合考虑计算精度要求和计算机配置情况，采用的网格数为479 232。

图3 网格独立性检验

1.3 计算模型假设

对计算模型作了如下假设：（1）介质符合牛顿粘性原理的均匀连续的气体。（2）不考虑气体体积力对流场的影响。（3）流场内温度和流体粘度保持恒定。（4）流体与转轴及浮环不发生相对滑移。

1.4 边界条件和求解器设定

设置进口边界为压力入口，压力P=0.3 MPa，出口边界为压力出口，P=0.1 MPa，温度26.85 ℃；内壁面设为旋转动环面，转速为13 000 r/min。外壁面设为静止面。

文中采用压强-速度关联算法，FLUENT软件中可选用SIMPLE或SIMPLEC的定常流体计算来定义分离求解器。SIMPLEC算法相对于SIMPLE算法改进了系数项的计算，改进了压力修正值在运算过程中增多的缺点，引入了速度修正方程。在没有辐射模型等辅助方程的层流计算中，SIMPLEC收敛速度更快，并且与SIMPLE运算结果几乎没有差别，所以本文求解器设置为SIMPLEC 压力修正法。

1.5 模型验证

本文通过FLUENT软件三维模拟仿真得出气膜密封性能参数。为了验证仿真参数设置的正确性，使用卢志伟等[22]研究气浮轴承时采用的轴承参数。将本文模拟的计算结果与文献[24]的结果进行对比，图4示出不同气膜间隙与流量关系的趋势对比图。从图4可以看出，本文模拟计算出的气膜间隙与流量之间的关系曲线和文献中基本相同，都为上升趋势，且上升趋势十分接近。可见，本文的模拟计算方法具有较好的准确性，可以用于后续气膜密封性能的计算。

图4 模型验证对比

表1 柱面气膜密封结构参数

图5 一字槽柱面密封的几何结构示意

2 一字槽柱面气膜静压分析

以表1中的操作参数进行计算，其静压分布如图2所示。

图6 一字槽柱面气膜密封静压分布

气体在动环高速旋转时被吸入一字槽内，因转轴与浮环之间为偏心安装，两者之间存在楔形间隙。在楔形效应下，气体流动产生流体动压效应。通过静压分布云图，可以看出气膜压力为非线性变化，即从高压入口到一字槽底端，压力先升后降。其中顶部最高压力为0.312 MPa。高压入口的压力为0.3 MPa，则气膜内部的最高压力比入口压力大4%左右。

3 操作参数对密封性能影响分析

建立槽数为16，槽深为5 μm，槽长为25 mm，槽宽为8 mm的气膜模型。分析转速以及压差对气膜泄漏量，摩擦转矩，气膜浮升力以及泄漏量的影响。

3.1 转速对密封性能的影响

转速对密封性能的影响如图7所示。从图7可以看出，随着转速的增加，气膜的泄漏量、浮升力、气膜刚度和摩擦转矩变化量较小，密封性能几乎不随转速变化。气体受槽型区影响，阻塞流增大，即泄漏气体轴向流速降低导致泄漏量降低，而阻塞流的增大，致使非坝区气膜压力下降，槽区增加的流体动压无法抵消其影响，因此浮升力呈略微下降的趋势。含有槽型的动环浮升力降低，致使偏心计算中，气膜刚度也随之降低。

图7 转速对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

3.2 压差对密封性能的影响

压差对密封性能的影响如图8所示。从图8可以看出，随着压差增大，泄漏量，浮升力，气膜刚度以及摩擦转矩都随之增大，这是因为压差增加导致轴向气流流速增加，气体黏度相对较低，密封间隙的压力主要以动压效应产生的密封压力作为主导压力，使得流体沿着槽的方向流动，周向剪切形成的流体动压压力小于密封径向的压力。随着入口压力增大泄漏量也随之上升，压差由0.1 MPa上升至0.4 MPa，密封泄漏量增加了3倍左右，符合泄漏率的理论变化，气膜浮升力上升1.06倍左右，而受压差的影响，摩擦转矩增加了2.5，气膜刚度上升3.7%。

图8 压差对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

4 结构参数对气膜密封性能的影响

在转速为13 000 r/min，压差为0.2 MPa的条件下，分析偏心率以及平均气膜厚度对气膜泄漏量，摩擦转矩，气膜浮升力以及泄漏量的影响。

4.1 偏心率对密封性能的影响

偏心率对密封性能的影响如图9所示。从图9中可以看出随着偏心率增加，泄漏量和浮升力明显增加，气膜刚度明显下降，而摩擦转矩先增加后趋于平衡。当偏心率增大时，最小气膜厚度变小，楔形间隙也变小，楔形效应及流体动压效应增加，流量及流体速度都增大，导致泄漏量和浮升力增加。而浮升力的增加导致膜内外浮升力差值增大，使气膜刚度下降。而楔形间隙较小还会导致局部摩擦转矩增加，所以摩擦转矩随偏心率增加而增加，最后趋于平衡。综合以上分析可以得出，偏心率在0.4～0.6之间，柱面气膜密封性能最好。

图9 偏心率对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

4.2 平均气膜厚度对密封性能的影响

平均气膜厚度对密封性能的影响如图10所示。从图10可以看出，随着平均气膜厚度的增加，泄漏量明显增加而浮升力明显降低，气膜刚度呈非线性变化，摩擦转矩没有明显变化。当气膜厚度增加，径向厚度也随之增加，泄漏体积增大，导致泄漏量增大，流体动压效应降低，使气膜压力下降，从而导致气膜浮升力下降。平均气膜厚度由10 μm逐渐增加到15 μm时，受槽型区影响较大，气体阻塞流增加，流速明显减小，使气膜刚度呈下降趋势。但随着平均气膜厚度继续增加，气膜浮升力减少而导致的气膜内外压力差减少无法被抵消，从而导致气膜刚度增加。综合4项参数可以看出，柱面气膜密封在平均气膜厚度为10 μm处的密封性能最佳。

图10 平均气膜厚度对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

5 槽型参数对气膜密封性能的影响

在转速为13 000 r/min，压差为0.2 MPa的条件下，分析槽数、槽深以及槽长对气膜泄漏量，摩擦转矩，气膜浮升力以及泄漏量的影响。

5.1 槽数对密封性能的影响

槽数对密封性能的影响如图11所示。

图11 槽数对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

从图11中可以看出，随着槽数增加，泄漏量和浮升力均增加，而气膜刚度减少，摩擦转矩呈非线性变化即先增加后减少。由于槽数增加，气体的泵吸效应增加，槽区和非槽区的连续出现增加了流体动压效应，在两者的平衡作用下，泄漏量有所增加，但远小于平均气膜厚度对其的影响。动压效应的增强，使气膜压力增加从而导致气膜浮升力增加。在浮升力上升的同时，膜内浮升力增量低于膜外浮升力增量，导致气膜刚度持续减小。由于槽数的增多，阻塞效应增强，泄漏气体的增加不足以抵消阻塞效应的影响，因此摩擦转矩呈上升趋势，但在槽数为16以后，泄漏体积的增加足以抵消阻塞效应的影响，摩擦转矩的变化呈下降趋势。综合而言，当槽数为12～16个时，柱面气膜密封的性能较好。

5.2 槽深对密封性能的影响

槽深对密封性能的影响如图12所示。从图12中可以看出，随着槽深的增加，泄漏量、浮升力、气膜刚度和摩擦转矩都为上升趋势。这是因为槽深增加，通过的流量体积随之增大，泄漏量随之增大。动压效应增强，气膜压力增加从而导致气膜浮升力加大。槽深的变化使得壁外的浮升力远远高于壁内的径向力，开槽端产生较强的动压效应，导致气膜刚度随槽深变化最为明显，从10 770 N/m上升至278 325 N/m。

图12 槽深对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

5.3 槽长对密封性能的影响

槽长对密封性能的影响如图13所示。

图13 槽长对密封气膜刚度、泄漏量、摩擦转矩以及气膜浮升力的影响分布曲线

从图13中可以看出，随着槽长增加，泄漏量增加，气膜浮升力呈非线性变化，气膜刚度和摩擦转矩减小。槽长的增加使泄漏通道的有效体积增大，导致泄漏量增加。槽长增加导致产生流体动压效应的区域增加，使浮升力增加，但当槽长增加到30 mm时，泄漏体积的增大与动压效应区域增加相抵消，导致浮升力有下降的趋势。浮升力的变化导致气膜内外压力差先变大后不变，从而导致气膜刚度逐渐减小最后趋于平衡。综合以上，槽长选取30 mm以内时，密封性能较好。