L形槽織構化機械端面密封性能的研究

陳 思，章亦聰，史淑芬，吳玉國，時禮平

(1.安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山243032；2.安徽工業大學工商學院，安徽馬鞍山243100)

機械端面密封在航空航天、石油、化工、冶金、機械等領域有著廣泛的應用。研究表明[1-4]，通過物理或化學的方法在密封端面制備具一定形狀、尺寸及排布形式的微結構，流體進入收斂壁面時由于動能轉化為壓力勢能產生的流體動壓使相對運動的兩摩擦副表面形成一層流體薄膜，可有效提高端面的密封性能。其中，以螺旋槽為代表的單向槽密封獲得了廣泛關注[5-7]。Smally[8]研究窄槽理論在螺旋槽軸承中的應用，提出了一種徑向中心壓力控制方程數值求解的方法用于研究小擾動剛度性能；Wang等[9]采用多目標優化的方法研究螺旋槽機械密封端面的性能，得到一種最佳形狀的螺旋槽，在高速條件下螺旋槽的形狀對機械密封性能的影響更明顯；彭旭東等[10]在單向螺旋槽干氣密封的基礎上，提出了高速提穩型、高速減漏型、低速提穩型和疏水耐磨型4類型槽。雙向槽在正轉和逆轉時都具有良好的動壓效應，避免了因密封環啟動、停止時而導致密封失效。紀敬虎等[11]研究了V形凹槽的形狀參數對摩擦因數的影響，結果表明：在油潤滑條件下能有效減小表面的摩擦因數；載荷較低、速度較大的工況下，織構面的平均摩擦因數比無織構面大大減小。Shahin等[12]對人字槽干氣密封的正逆方向旋轉進行研究，分析不同結構人字槽的密封性能和承載能力，并對密封件進行改進，以提高其密封性能。王衍[13]利用Fluent軟件模擬樹型槽機械密封在不同工況下的三維流場，結果表明，樹型槽的幾何及工況參數會影響端面密封性能，在槽數為10～18，槽深為5～7 μm，角度為25°～35°時具有理想的承載力和泄漏量。John Crane公司開發的50多種槽型密封中，多數雙向槽雖具有良好的動壓效應和密封性能，但結構較為復雜，開發成本較高[14]。因此結合單向槽良好的“引流”、“泵送”效應和雙向槽正反轉的特點，提出一種結構相對簡單并能雙向旋轉的L型槽，利用Fluent軟件對流場進行數值模擬，分析槽型長寬比、偏轉角度、轉速、槽深等參數對承載力、泄漏量的影響，以期為密封端面表面織構的設計和應用提供參考。

1 理論模型

1.1 幾何建模

機械端面密封主要由動、靜環組成。本文在密封動環表面中心設置18個沿周向均勻分布的L型槽，如圖1?？棙嬅娣e率Sp為L型槽的端面面積與動環端面的面積之比。

動靜環截面如圖2。其中密封間隙為hp，槽深為hg，動靜環內、外徑分別為rin、rout，動環的轉速為n。

機械動環表面L型槽尺寸參數設置如圖3。由于動環呈周期性規則分布，取其1/18單元體為研究目標，建立L型槽理論模型。相鄰兩邊的夾角均為90°，槽長為a，寬為b，長寬比為a/b，沿半徑方向為初始方向，L型槽的長槽邊與半徑方向的偏轉角度為θ。為考察L型槽的槽深、長寬比、偏轉角度、面積率等幾何結構參數對密封性能的影響，文中利用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)數值模擬的方法，探究不同參數下承載力F、泄漏量Q的變化情況。

圖3 L型槽尺寸參數Fig.3 Size parameters of L-shape groove

對L型槽進行網格劃分，劃分結果如圖4。文中通過設置二階迎風格式對流體計算區域的承載力和泄漏量進行求解。設置單元體外徑面為壓力入口，內徑面為壓力出口，取壓力進出口的平均壓力作為定值參數，入口壓力pi為0.2 MPa，出口壓力po為0.1 MPa，兩側面為周期性邊界條件，與靜環接觸的面為靜壁面，與動環接觸的面為動壁面。假定流體介質的密度與黏度保持不變，流場的溫度不變，流體為不可壓縮的牛頓流體，通過Fluent軟件“Reports”中的“Fluxes”和“Forces”分別得到1/18單元體的承載力和泄漏量。

1.2 控制方程與數值求解

直角坐標系下的連續性方程為

式中：ρ為流體密度；t為關于時間的自變量；u,v,w分別為流體質點速度在x,y,z方向上的分量。

機械密封端面的流體運動方程為：

對于穩態運動的不可壓縮流體，能量方程為：

式中：T為流體溫度；H為比焓；k為等熵指數；u為黏度；q為單位體積內輸入的熱量。

單元體周期性邊界為旋轉周期邊界，滿足：

通過Fluent軟件對流場進行數值模擬，得到流體靜壓分布，計算得到密封端面承載力和泄漏量為：

式中：dA為單元體密封端面微面積；h為流體厚度；r為流體質點到圓心的距離。

2 計算結果與分析

2.1 密封端面壓力分布

L型槽尺寸及工況參數為：內徑rin=12 mm，外徑rout=18 mm，膜厚hp=2 μm，槽深hg=1～6 μm，面積率Sp=7.16%，轉速n=1 000～10 000 r/min，流體為液態水，密度ρ=998.2 kg/m3，動力黏度η=0.001 003 kg/(m·s)，溫度為25℃。L型槽的長寬比與偏轉角度的設置如圖5。計算結果均為1/18單元體的承載力及泄漏量。

圖5 L型槽長寬比及偏轉角度示意圖Fig.5 Schematic diagram of length width ratio and deflection angle of L-shape groove

基于有限體積法采用Fluent軟件對流場進行數值模擬，計算L型槽密封端面的壓力分布。設置偏轉角度為225°，轉速n=8 000 r/min 槽深hg=2 μm，計算長寬比分別為1,1.5,2時L型槽織構密封端面壓力分布，結果如圖6。由圖6可看出，密封端面的壓力沿速度方向收斂，在槽根處，由于壁面的阻擋，流體流動的瞬間動能轉化為壓力勢能從而壓力急劇增大，產生動壓效應，流體在發散區域產生負壓。由于產生了“氣穴效應”，使得液體膜產生附加的承載能力。

圖7為圖6中計算域內沿圓周方向中心位置的壓力分布。由圖7可知，由于槽長寬比的差異，在相同位置處的平均壓力并不相等，但不同長寬比下，L型槽織構密封端面壓力分布呈近乎相同的變化規律，如沿速度方向的槽的根部，壓力均呈最大值，分別為0.4，0.28，0.25 MPa。

圖6 L型槽密封端面壓力分布Fig.6 Pressure distribution diagram of L-shape groove seal face

2.2 偏轉角度對密封性能參數的影響

轉速n=8 000 r/min，槽深hg=2 μm條件下，偏轉角度θ對機械端面密封承載力的影響如圖8。由圖8可看出：當偏轉角度小于90°或大于270°時，承載力較小；當偏轉角度在100°～250°之間時，承載力明顯增大，且隨著長寬比的增大，承載力依次增大；當偏轉角度達到225°時，承載力達到最大值。

偏轉角度對泄漏量的影響如圖9。由圖9可看出：隨著偏轉角度的逐漸增大，泄漏量呈波浪式的變化規律，每間隔一定的角度，泄漏量就會達到極大值；當長寬比為1、偏轉角度為225°時，密封端面的泄漏量最小。由于長寬比的增大及偏轉槽線的引流、泵送作用，流體沿著槽邊緣產生的泄漏通道增大，進而泄漏量增加，流體進入槽內動能轉化為壓力勢能的比例增大，因此會產生較大的承載力。

圖7 L型槽沿轉速方向中心截面平均壓力Fig.7 Mean pressure of center section along rotational speed direction of L-shape groove

圖8 承載力隨偏轉角度的變化曲線Fig.8 Curves of bearing capacity with deflection angle

圖9 泄漏量隨偏轉角度的變化曲線Fig.9 Curves of leakage rate with deflection angle

2.3 槽深對密封性能的影響

圖10 槽深對機械密封性能參數的影響Fig.10 Influence of groove depth on mechanical seal performance parameter

圖10為織構偏轉角度θ=225°、轉速n=8 000 r/min和不同長寬比條件下，織構密封端面密封性能參數隨槽深hg的變化曲線。分析圖10可知：對于不同長寬比，承載力呈先略微增大后減小的變化規律，且近似存在一個最優的槽深hg=1～3 μm，使得不同長寬比下織構化密封端面能夠達到對應的最大承載力；在長寬比為2，1.5時，隨著槽深增加，泄漏量呈現先增大后減小的變化規律，且存在一個最優的槽深hg=3 μm，織構具最大泄漏量；而當長寬比為1時，泄漏量幾乎不變化。

2.4 轉速對密封性能參數的影響

圖11為面積率Sp=7.16%、密封間隙hp=2 μm、槽深hg=2 μm轉速、n=8 000 r/min、入口壓力pi=0.2 MPa、出口壓力po=0.1 MPa、偏轉角度θ=225°條件下，密封性能參數隨著速度的變化曲線。由圖11可知：隨著密封動環轉速的增大，密封端面的承載力線性增大，與此同時，伴隨動環轉速的提高，流體動壓效應增強，壓力梯度引起的端面泄漏也呈增大趨勢；對比不同長寬比的型槽織構化端面發現，當長寬比為1時，隨著轉速的增大，端面承載線性增加，而端面的泄漏增加量相當微小，基本保持不變。由此得出：偏轉角度為225°、長寬比為1的L型槽不僅可改善密封端面的承載特性，還有利于維持端面泄漏的穩定。

圖11 轉速對機械密封性能參數的影響Fig.11 Effect of rotating speed on mechanical seal performance parameters

3 結 論

建立L型槽表面織構化密封端面的理論模型，研究槽型長寬比、偏轉角度、槽深、轉速對其密封性能參數，包括承載力、泄漏量的影響，結論如下：

1)隨偏轉角度的增大，密封端面的承載力和泄漏量均呈波浪式的變化規律，當偏轉角度為225°，3種長寬比的織構化密封端面均具最大承載力，且長寬比為1的織構化端面具最小的泄漏量；

2)槽深在1～6 μm范圍內，隨著槽深的增大，不同長寬比織構化密封端面的承載力均呈先增大后減小的變化規律，且當槽深為1～3 μm時，端面具最大的承載力；

3)偏轉角度為225°、長寬比為1的L型槽有利于改善高速條件下機械端面密封承載能力，同時還能維持端面泄漏的穩定。