T型槽柱面氣膜密封穩態性能數值分析

蘇澤輝，劉美紅

（昆明理工大學機電工程學院 云南 昆明650500）

0 引言

氣膜密封是一種先進的非接觸式密封技術，具有泄露少、壽命長、能耗低、可靠性高等優點，尤其在航空發動機高界面滑速、高邊界壓差、高環境溫度工作條件下［1］，轉子會產生較大的徑向跳動和軸向跳動，在此嚴苛的工作環境下普通密封方法難以做到，有專家提出了柱面氣膜密封［2］，柱面氣膜密封其獨特的柔性結構可以吸收密封軸軸向和周向位移，減少由于轉子傾斜和密封環傾斜引起的接觸和磨損［3］，柱面氣膜密封提出使解決此類問題成為可能，具有廣闊的發展前景。

國內外學者對柱面氣膜密封做了大量的研究工作，目前主要研究方法有理論分析和數值模擬，二維模擬假設密封氣膜在厚度方向保持不變［4］，和實際差別較大，三維數值模擬對三維流場整體建模分析 ，具有直觀、高效等特點，和二維模擬相比更接近現實情況。NASA在一份報告中介紹了不同界面結構的柱面氣膜密封技術［5］，其中包括瑞利階梯槽、T型槽、螺旋槽等結構，用三維軟件Fluent，選用無槽模型、T型槽模型、T型槽倒置模型進行研究。

(3)接收6種數字調制信號，實現信號下混頻，獲得復基帶信號。根據獲得的復基帶信號，分別計算MASK、MPSK、MFSK的二階、四階和六階累積量值，然后再計算三個高階累積量特征參數fx1、fx2、fx3。

1 柱面氣膜密封原理、模型結構及氣膜抽取

1.1 原理圖示

柱面氣膜密封系統主要由柔性支承系統、浮動環和密封軸構成，其原理如圖1、圖2所示，動環有一定的偏心，在給定的載荷W 和轉速ωj下，在密封軸轉向的收斂楔形間隙里，氣體因粘性摩擦被軸從大口帶向小口，產生憋油升壓現象［6］。如圖1所示周向壓力分布，收斂間隙里高壓側氣體同時迫使氣體本身向密封軸兩端運動，即產生端泄Qz，軸向氣膜壓力分布如圖2所示，流體動壓效應使密封軸和浮動環相互分離［7］，在動壓效應中密封軸和浮動環保持相對動平衡狀態。

圖1 周向壓力分布

圖2 軸向壓力分布

1.2 氣膜抽取

密封間隙只有微米級，不好直接對密封氣膜建立模型，用Pro／E建立了無槽、T型槽、T型槽倒置三種浮環結構和密封軸并進行組裝，然后在Workbench中抽取氣膜模型，如圖3、圖4所示，分別為T型槽和T型槽倒置模型，將T型倒置故稱為T型槽倒置模型，其尺寸大小相同。

從圖中對比可以看出T型槽具有最好的流體動壓效應，T型槽具有最大的浮升力，浮升力增加很明顯；泄漏量最小，相比無槽和T型槽倒置結構泄漏量明顯減少，這是因為T性結構壩區比較大，對空氣阻礙作用比較強，密封性能最好。仿真結果對比如表1所示。

圖3 T型槽氣膜模型

圖4 T型槽倒置氣膜模型

2 Fluent中模擬分析

2.1 網格劃分

專業網格劃分軟件Hypermesh分區劃分網格具有很大的優勢，無槽模型厚度方向控制3層，用六面體結構化網格直接生成。T型槽模型、T型槽倒置模型需要分區劃分，在Hypermesh中將模型分成壩區、槽區、臺區，壩區、槽區可以映射，采用六面體網格劃分方法，臺區用四面體網格劃分方法［9］。

無槽模型結構簡單，可以直接生成網格。由于T型槽、T型槽倒置模型尺寸比比較大，最小的尺寸只有10μm，最大尺寸58.4mm，網格劃分是本課題的難點，為了保證網格質量，需要分區網格劃分［8］。此模型浮環和密封軸存在偏心結構，氣膜沿圓周方向厚度不是均勻分布的，不滿足周期性條件，需要整體劃分網格。

2.2 計算分析

2.2.1 邊界條件和求解器設定

邊界條件設定，進口壓力為0.6MPa，出口壓力為0.101 6MPa，轉速為8 000r／min，介質為空氣，工作溫度為27℃。靜環側設置為標準壁面條件，無速度滑移，動環側設置為旋轉 Wall，氣膜兩端面設置為壓力入口和壓力出口，T型槽模型靠近壩區一側為壓力出口。

Fluent求解器設置時，由于在浮環中微間隙氣體流動是層流還是湍流［10］，至今沒有定論，采用層流和湍流兩種方法對無槽模型進行對比分析，在高轉速情況下，層流結果速度矢量圖與實際情況不符合，結果表明湍流分析更接近理論結果。

T型槽壓力分布如圖7所示，從圖中可以看出槽、臺交界處壓力較大，偏心結構使得氣膜最薄處壓力較大，由于槽根壩區比較大，可以看到在槽根阻塞作用下，流體動壓效應特別明顯。

圖示10為壓差對浮升力的影響如圖所示，3種結構密封的浮升力都隨著壓差的增大而增大，T型槽浮環產生的浮升力比無槽、T倒要大。

圖5 無槽模型壓力云圖

小徑薄壁管材內表面檢測，傳統方式是采用目視和聚光燈配合，有異樣狀況時，則會采用工業視頻內窺鏡來檢查其缺陷狀況。我單位最常使用的為IPLEX LX系列，其焦距為 4.0～6.0m，鏡頭直徑為 4—8.5mm，探頭軟管長度為3.5m，采用USB接口，CD成像技術。光纖視頻內窺鏡價格昂貴，通過探頭拍攝到管子內部情況在液晶顯示器上成像，由此可初步判定管材內表面異常情況，為技術人員和質量檢驗人員體統分析依據。如圖1、圖2所示。

圖6 T型槽倒置壓力云圖

2.2.2 3種模型案例分析

圖7 T型槽壓力云圖

2017年，為了得到程立生的支持，使其孩子順利入學瓊臺師范學院附屬幼兒園，肖某于2017年7月份在酒店包廂送給程立生現金1萬元。

T型槽倒置壓力分布如圖6所示，最大壓力為0.493MPa以看出槽、臺交界處壓力較大，最小膜厚處壓力較大，這是由于軸頸旋轉，流體流向槽根處受到阻塞，壓力瞬間增高。

表1 仿真結果對比

3 操作參數對T型槽柱面氣膜密封性能的影響

3.1 轉速對泄漏量的影響

如圖8所示，計算時在壓差為0.498 4MPa，氣體粘度1.789 4×10－5（N·a／m2）相同的情況下，假設偏心率相同P＝0.3，轉速從2 000～12 000r／min，T型槽泄漏量少于T倒置模型，接4 000r／min時，開槽模型泄漏量明顯少于無槽模型，這是由于轉速升高時流體動壓效應增強，并且T型槽密封性能優于T倒置模型。

圖8 轉速對泄漏量的影響

3.2 壓差對泄漏量的影響

在轉速8 000r／min，氣體粘度為1.789 4×10－5（N·a／m2）情況下，邊界壓差從0.1MPa到0.6MPa變化時，3種氣膜密封性能泄漏量變化如圖9所示，壓差增大，3種模型泄漏量顯著增加，T型槽泄露量相對較少。

生物學學科核心素養是學生在進行生物課程學習中逐漸內化形成的品格和能力，初中生物課程教學中就要有意識地對學生進行核心素養的滲透內化，以下以福建省生物統考試題為例進行分析。

圖9 壓差對泄漏量的影響

3.3 壓差對浮升力的影響

利用Fluent得到了無槽模型、T型槽模型、T型槽倒置模型的壓力分布圖、速度矢量圖。如無槽模型壓力分布如圖5所示，最大壓力為0.116MPa可以看出，由于密封軸偏心旋轉和憋油升壓作用，具有明顯的動壓效應，從楔形間隙中，大口向小口運動中，壓力快速增大，在最小膜厚處出現一個高壓區，另一側出現一個低壓區。

賈平凹最愛吃面，少年時愛吃母親的手搟面，澆上漿水，再撒上油潑辣子。一陣稀溜溜的響聲過后，面早就下了沒有油水的肚子，再呼啦啦三五口，湯一滴不剩地灌進了胃縫子。到了西安，吃過岐山臊子面后，他就很少再吃其他面食了。

圖10 壓差對浮升力的影響

3.4 轉速對浮生力的影響

轉速對浮升力的影響如圖11所示，普通浮環密封產生的浮升合力隨轉速的增大而增大。螺旋槽浮環密封產生的浮升力分都隨著轉速的增大而增大。且增大的幅度較普通浮環密封大。當轉速較低時，T倒置浮環密封產生的浮升力要比螺旋槽浮環密封的大，當轉速達到2 500r／min時，螺旋槽浮環密封產生的浮升合力將超過普通浮環密封，并隨著轉速的增大，兩者差距越來越大。這是由于轉速越大，T型槽浮環密封產生動壓效應增強。

《試行法》實施13年后的1995年10月30日，第八屆全國人大常委會第16次會議審議通過了《中華人民共和國食品衛生法》，這標志著中國食品衛生管理工作正式進入法制化階段。該法繼承了《試行法》的總體框架、主要制度和條款內容，增加了保健食品的相關規定，細化了行政處罰條款，強化了對街頭食品和進口食品的管理。

圖11 轉速對浮升力的影響

4 結束語

3種氣膜三維壓力場表明，存在偏心結構，在密封軸轉動過程中就會產生流體動壓效應，開槽結構流體動壓效應明顯比無槽模型好，只對T型槽兩種結構進行了研究，T型槽流體動壓效應最好，因其長方形壩區有更好的阻塞流體作用，氣膜壓力更高。

研究了操作參數對T型槽柱面氣膜密封性能的影響，即轉速、邊界壓差對T型槽的影響，結果表明轉速、邊界壓差對T型槽密封性能有顯著影響，在低轉速、底壓差時，無槽結構密封性能優于開槽結構，高速運行時開槽結構密封性能明顯提高。

只研究了無槽、T型槽柱面氣膜密封低轉速運行時密封性能，開發新型槽型結構對柱面氣膜密封發展有重要作用，底轉速運行時T型槽柱面氣膜密封動態穩定性及較高轉速運行時T型槽柱面氣膜密封密封性能還有待于研究。

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