基于优选参数的回流泵送密封开启温度特性

2021-07-21李庆展李双喜李世聪

航空发动机 2021年3期

李庆展，李双喜，郑娆，力宁，李世聪

（1.北京化工大学流体密封技术研究中心，北京100029；2.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空航天事业的快速发展对高速密封技术提出了更高要求，机械密封、唇形密封等接触式密封机构易磨损、寿命短[1]；浮环[2]、蜂窝等非接触式密封机构[3]存在泄漏率大等问题，无法满足发动机轴承腔密封的要求。气液混相回流泵送密封（Gas-liquid Mixedphase Reflux Pumping Seal，GL-RPS）机构采用气液混相润滑技术、利用回流泵送效应实现气体密封油液的功能，具有润滑效果好、服役时间长、泄漏率和功耗小等优点，尤其适用于高速设备[4]。在GL-RPS 正常运转时，转速越高流体膜的刚度越大，回流泵送效果越好，密封越稳定。如设计不当，密封端面在启动过程中会发生温度超标、端面磨损，导致密封启动失效，因此很有必要对其开启特性开展深入研究。

目前关于GL-RPS 开启特性的研究很少，其他动压密封的端面类型研究[5]、参数[6-8]优化设计、干气密封的开启特性研究可为GL-RPS 相关研究提供参考。李双喜等[9,10]、金朝旭等[11-12]、彭旭东等[13]、李叶枫等[14]等分析了密封开启力、气膜刚度、泄漏量等特性参数对干气密封开启特性的影响；丁雪兴等[15]、王文鼎[16]对干气密封摩擦副启停阶段的摩擦特性进行了仿真模拟，分析了该阶段的摩擦热以及应力变化规律；在开启状态监测方面，Yuan 等[17]基于声发射技术监控密封端面的动态摩擦，分析了密封端面摩擦接触状态；傅攀等[18-20]基于声发射技术对端面流体膜厚度进行监测，确定了密封端面开启状态。在试验研究方面，李小芬等[21]、李欢等[22-23]开展喷油试验验证了GLRPS 在油气两相介质工况下应用的可行性；李庆展等[24]采用试验方法研究了油气混相回流泵送密封开启过程的泄漏特性，分析开启过程密封端面的泄漏率演变趋势。以上研究从研究内容、研究方法、监测手段上可为GL-RPS的研究提供指导。

本文预研的直升机发动机减速器轴承腔密封介质是轴承高速旋转时将空气和DOD-PRF-85734A 润滑油充分混合的气液混相介质，密封机构与大气直接接触，润滑油的作用为润滑和冷却，进口温度为15~40 ℃。气液混相介质的密封端面摩擦状态不同于纯气、纯液介质，其开启特性与单相介质密封机构的也不同，在实际工作中要求能在低转速下实现密封机构的开启，避免启动磨损失效。本文采用数值分析手段得到密封开启性能较好的优选结构参数，并通过试验验证优选结构参数的合理性。

1 GL-RPS结构与原理

1.1 GL-RPS结构

GL-RPS 结构如图1 所示。从图中可见，动环6和静环8 的接触部分为密封端面，也是介质泄漏通道。在动环的密封端面上开设螺旋槽，为密封机构提供动压开启力，其结构如图2所示。

图1 GL-RPS结构

图2 动环端面槽型结构

GL-RPS 的动环密封端面分为螺旋槽区、密封堰区和密封坝区。螺旋槽的结构参数包括槽数、槽深、螺旋角、槽坝比（Db-Di）/（Do-Di）。

1.2 GL-RPS工作原理

GL-RPS 的密封腔内为高压气液混相介质，密封腔外为低压大气。在GL-RPS 启动时，随着密封动环转速逐渐增大，动环密封端面螺旋槽区流体的黏性剪切力逐渐增大，并逐渐平衡密封端面内外侧的压力差，从而阻止密封介质从高压侧流向低压侧。当动环转速足够大时，螺旋槽能将泄漏到低压侧的密封流体泵送回高压侧（即回流泵送），同时流体受迫流动，在槽区形成高压流体，形成密封运转的端面动压开启力，迫使密封端面开启。

2 数值模拟与结果分析

2.1 流体域分析模型

参考文献[22]的数值模拟方法，取动、静环密封端面间的流体域为研究对象，建立分析模型，如图3所示。利用ANSYS Workbench 模块中的ICEM 软件，采用Sweep 划分方式，对流体域分析模型进行六面体网格占优的网格划分，如图4 所示。在进行网格无关性验证和网格质量检查后，满足计算要求。由于流体域几何模型呈中心对称和周期性分布，只选取1 个周期进行分析。

图3 流体域几何模型

图4 网格划分

分析模型的具体结构参数及操作参数设置分别见表1、2。

表1 结构参数

2.2 基本假设

为便于分析，对密封端面间的介质流体膜做如下假设：

（1）密封动、静环表面为理想光滑表面；

（2）密封端面间流体的流动为层流；

（3）流体流动过程中温度、黏度、密度和压力沿膜厚方向恒定不变；

（4）忽略流体的惯性力和体积力。

2.3 模拟设置

依照密封实际工作状态设置的连续相边界条件和离散相边界条件见表3。

表3 边界设置

压力速度耦合采用Simplec 算法，压力插值采用2 阶精度格式，迭代精度设置为1.0×106。计算得到密封端面间流体域压力分布，如图5 所示。从图中可见，密封端面流体在槽根处（A处）产生了明显流体动压效应。

图5 流体域压力分布

2.4 结果分析

分别分析了槽数、槽深、槽坝比对密封开启力的影响规律，开启力越大，密封端面开启性能越好。

2.4.1 槽数对密封开启力的影响

密封端面开启力随槽数增加而增大，增大趋势逐渐变小，且在高转速时的密封端面开启力更大，如图6 所示。从图中可见，阴影部分的槽数对应的密封端面开启力较大，在实际应用中考虑加工难度和加工成本，槽数不宜过多，优选槽数为12个。

图6 槽数对密封端面开启性能的影响

2.4.2 槽深对密封开启力的影响

密封端面开启力随槽深增大先增大后减小，在槽深为5~7 μm 时密封端面开启力较大，且在高转速时的密封端面开启力更大，如图7所示。

图7 槽深对密封端面开启性能的影响

2.4.3 槽坝比对密封开启力的影响

密封端面开启力随槽坝比增大先增大后减小，槽坝比为0.65~0.70 时密封端面开启力较大，且在高转速时的密封端面开启力更大，如图8所示。

图8 槽坝比对密封端面开启性能的影响

通过以上分析得出密封开启性能较好的结构参数为：槽数为12、槽深5~7 μm、槽坝比为0.65~0.70。

3 试验与结果分析

为了验证优选结构参数的合理性，基于温度法进行试验。简化试验步骤，选取4 种密封结构进行试验和对比分析，4 种密封的结构参数见表4，动环如图9所示。其中S1采用分析得出的优选结构参数，S2、S3、S4分别改变了槽数、槽深、槽坝比。

图9 4种密封结构的动环

表4 4种密封结构

3.1 试验装置

研制了一种针对气液混相介质的试验装置，搭建试验系统，采用油气混相介质进行GL-RPS 试验，密封试验装置模型和试验装置如图10、11所示。

图10 GL-RPS试验装置模型

图11 GL-RPS试验台

为了保证试验的准确性需要注意以下几点：（1）尽量减小试验误差，尤其是安装误差；（2）控制弹簧压量保证弹簧力的一致性；（3）必须选用精密高速轴承，保证轴承不会失效，并且监测轴承温度。

本试验装置的创新性：（1）采用高速轴承将油气混相介质充分混合；（2）外侧腔体采用高强度可视化工程塑料，便于观察密封运转情况。

试验时，N1通入气液混相介质，N2为气液混相介质出口，轴承腔油气体积比为0.2，可通过调节循环泵站流量和空气流量控制，出口介质采用换热器循环冷却，进口介质温度为20 ℃，介质同时起到润滑和冷却作用。轴承温度传感器、密封腔内温度传感器和静环密封端面温度传感器提前安装完毕。

运转试验分4 个结构依次进行，试验条件见表2和表4。在试验过程中分别改变密封腔内压力、转速、槽深、槽数、槽坝比，监测采集密封启动过程中静环密封端面的温度，基于温度法分析密封端面开启状态。温度传感器为K 型热电偶，传感器布置如图12所示。传感器布置在静环密封端面背面、距离密封端面1.0 mm 处，静环材料为浸锑石墨M120D，其导热性能好，传热快，测量值近似为密封端面温度。

表2 操作参数

图12 静环和温度传感器

3.2 开启特性

3.2.1 开启状态分析

在0.03~0.07 MPa压力范围内，参考文献[13]的恒闭合力方法，根据密封开启临界流体膜厚度分别计算4种结构密封的临界开启转速Va，并进行运转试验，试验中4 种密封结构的运转时间和运转参数的设置均一致，计算结果和试验结果如图13所示。

图13 不同压力下密封端面温度随转速的变化

在密封机构启动过程中，随着转速增大，密封端面逐渐开启。在此过程中，温度分为3 个明显阶段，分别对应密封端面的3个接触状态：未开启阶段（Sc）、过渡阶段（不完全开启阶段St）和完全开启阶段（So），可以有效监测密封开启过程。不同压力下密封端面温度随转速的变化图13 所示。以图13（b）为例详细说明，定义开始开启时的转速为Vso，完全开启时的转速为Vto，端面初始温度为T，开始开启时的端面温度为Tso，完全开启时的端面温度为Tto。所以0~Vso转速范围为Sc，Vso~Vto转速范围为St，Vto之后为So。图中Va（0.03）表示压力为0.03 MPa 时密封临界开启转速，Tso（0.03）表示压力为0.03 MPa 时密封开始开启时的端面温度，其余表达式命名方法相同，不再赘述。

密封处于Sc时，端面温度随转速增大而升高，此时密封端处于接触运转状态，密封端面摩擦生热，密封端面易发生摩擦磨损；密封处于St时，端面温度随转速增大逐渐降低，但是温度变化趋势不稳定，端面温度存在跳跃，此时密封端面处于接触与非接触的过渡状态，密封端面易发生碰摩，密封易失效；密封处于So时，端面温度随转速增大基本不变，温度逐渐稳定，此时密封端面处于稳定的完全非接触运转状态，密封端面不存在摩擦磨损，理论上是一种超滑运行状态。计算得到的密封临界开启转速处于密封开启过程中的St，即Vso

不同结构的密封端面温度随转速的变化如图14所示。从图中可见，4 种结构密封端面开启过程的变化趋势基本一致，密封端面完全开启之前的端面温度差距较大，完全开启之后的密封端面差距很小，这是因为完全开启以后密封端面都处于非接触运转状态。其中S1结构试验整个过程的密封端面温度都比其它2种结构的低，其密封临界开启转速Va（S1），开始开启转速Vso（S1）和完全开启转速Vto（S1）都比其它2 种结构的小，对比说明S1结构参数（槽数12，槽深5 μm，槽坝比为0.70）下的密封开启性能最好。

图14 不同结构的密封端面温度随转速的变化

3.2.2 开启转速分析

密封开启转速越小，其开启性能越好。4 种密封结构的密封开始开启和完全开始时的转速随压力的变化如图 15 所示，转速跨度 ΔV（ΔV=Vto-Vso）随压力的变化如图16 所示。速度跨度表征密封跨越St的难度，其数值越大，密封跨越St的难度越大，密封越容易发生碰摩失效，在实际应用中期望Vso、Vto和ΔV的数值越小越好。

图15 开启转速随压力的变化

图16 转速跨度随压力的变化

对比发现：在整个压力变化过程中，Vso（S1）、Vto（S1）和ΔV（S1）数值最小，Vso（S1）为Vso（S2）的17.8%~26.3%，为Vso（S3）的45.5%~66.7%，为Vso（S4）的20%~32.3%；Vto（S1）为Vto（S2）的28.3%~30.1%，为Vto（S3）的60%~70.9%，为Vto（S2）的53.6%~61.1%；ΔV（S1）为ΔV（S2）的 34.3%~40%，为 ΔV（S3）的 71.4%~75%，为 ΔV（S4）的66.7%~70.6%；说明S1的结构参数能有效降低GL-RPS 的开启转速和跨越St的难度，即S1密封端面最容易开启，最不容易发生碰摩失效，槽数12 个的密封开启性能较槽数8 个的好，槽深5 μm 的密封开启性能较槽深10 μm 的好，槽坝比为0.70的密封开启性能较槽坝比为0.80的好。

3.2.3 开启温度分析

密封开启温度差越小，密封开启性能越好。4 种密封开始开启时的密封端面温度差ΔTso（ΔTso=Tso-T）随压力的变化如图17所示，4种密封完全开启时的密封端面温度差ΔTto（ΔTto=Tso-T）随压力的变化如图18所示。

图17 ΔTso随压力的变化

图18 ΔTto随压力的变化

对比发现：在整个压力变化过程中，ΔTso（S1）和ΔTto（S1）的数值最小，ΔTso（S1）为 ΔTso（S2）的 61.8%~73.9%，为 ΔTso（S3）的 86.5%~92.5%，为 ΔTso（S4）的78.2%~87.9%，4 种密封结构的ΔTto差距不大，这是密封端面完全开启之后，密封端面非接触运转，4 种结构的密封端面接触状态基本一致。由此说明S1的结构参数能有效减小GL-RPS 的开启过程中的密封端面温升变化，且槽数12个的密封开启性能较槽数8个的好，槽深5 μm 的密封开启性能较槽深10 μm 的好，槽坝比为0.70的密封开启性能较槽坝比为0.80的好。

3.2.4 开启过程短时摩擦磨损分析

通过摩擦磨损结果分析密封开启性能可知，摩擦磨损程度越轻微，密封开启性能越好。试验中4 种密封结构的运转时间和运转参数的设置均一致。试验后采用ZYGO-NEXVIEW2 维白光干涉测量仪测量动环、静环密封端面同一位置的表面微观形貌，测量结果见表 5，并如图 19、20 所示。对比 S1和 S2、S3、S4可得：S1结构的磨损程度较轻，粗糙度较小，说明槽数12个的密封开启性能较槽数8 个好；槽深5 μm 的密封开启性能较槽深10 μm 好；槽坝比0.70的密封开启性能较槽坝比0.80好。