基于多相流理論高速動車組齒輪箱密封系統分析

張雨，張開林，姚遠

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基于多相流理論高速動車組齒輪箱密封系統分析

張雨，張開林，姚遠

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都，610031)

為了研究高速動車組齒輪箱密封系統的密封機理，分析潤滑油液滴和理想氣體混合介質下迷宮密封的密封性能，建立某國產驅動齒輪箱輸出端密封系統結構的計算模型，采用Euler-Euler雙流體模型，通過數值模擬得到密封系統的內部流場，對比研究轉子轉速對混合介質下密封內部流場的介質分布影響，分析潤滑油液滴體積分數和直徑對密封結構泄漏量的影響。研究結果表明：密封間隙的直通效應、潤滑油液滴分布于靜子腔或轉子腔以及空腔所處位置是影響迷宮密封性能的主要因素；隨著轉子轉速的增加，潤滑油液滴的泄漏量先上升后下降最后趨于穩定；潤滑油液滴體積分數越高，直徑越大，泄漏量越大；當液滴體積分數越高時，液滴體積分數對泄漏量的影響越小，呈非線性關系，但泄漏量隨液滴直徑的增大呈近線性關系增大。

高速齒輪箱；密封系統；多相流；潤滑油；泄漏量

齒輪箱作為高速動車組驅動系統的核心部件，直接影響列車運行的動力性和安全性。當列車時速達到350 km/h時，齒輪箱輸出端轉速達6 000 r/min，對齒輪箱密封系統提出較高要求。為保證齒輪箱安全高效的運行，密封系統需要達到雙重密封效果，一方面，防止箱體內部潤滑油通過密封系統向外泄漏，造成箱內潤滑油含量不足，影響齒輪、軸承等部件的潤滑；另一方面，防止外界液體及灰塵等污染物穿過密封系統進入箱體內部，造成潤滑油乳化等現象[1]，因此，對齒輪箱密封系統的研究是保證齒輪箱安全運行、實現齒輪箱國產化的重要課題之一。高速動車組齒輪箱密封系統主要有2種類型：日式齒輪箱密封系統采用非接觸式迷宮密封與接觸式機械密封相結合的組合式密封方法，歐式齒輪箱密封只采用非接觸式迷宮密封的方法。組合式迷宮密封的密封性能更好，但由于接觸式密封更換周期短，縮短齒輪箱檢修維護周期；非接觸式迷宮密封占用空間小，檢修維護成本低，目前齒輪箱密封系統國產化研究重點為提高迷宮密封的密封性能。典型的迷宮密封形式有直通式[2]、錯齒式[3]、蜂窩式[4?5]、刷式[6?7]等，在工程實踐應用中，一般采用典型結構的變形體或多種典型結構聯合使用，在有限的結構空間中保證迷宮密封的密封性能，如軸向雙邊直通式[8]、高低齒式[9?10]以及徑向對插式迷宮密 封[11]。密封結構的主要研究方向是典型密封結構的密封機理以及影響密封性能的因素分析，曹麗華等[12]研究了葉頂間隙對汽輪機高低齒式迷宮密封性能的影響。杜發青等[13]通過正交試驗研究了齒形幾何參數對航空渦輪發動機直通篦齒式迷宮密封泄漏量的影響。BONDARENKO等[14?15]運用數值模擬和試驗分析了轉速、壓力比等因素對直通式迷宮密封的影響。WANG等[3]分析了錯齒式迷宮密封的密封機理和運用條件。SUBRAMANIAN等[16]分析了熱效應與旋轉效應對迷宮密封結構變形以及密封性能的影響。對于迷宮密封系統的研究，吳特等[17]以高速動車組某國產化驅動齒輪箱小齒輪電機端的密封系統為研究對象，分析了理想氣體為介質時密封系統的密封性能和影響因素。但齒輪箱設計密封系統的主要目的是減少潤滑油泄漏、運行穩定狀態下齒輪箱內部高速旋轉的齒輪攪拌、打碎潤滑油液滴；同時，內部的高溫高壓環境使得箱內介質為微米級潤滑油小液滴、潤滑油蒸汽和理想氣體的混合物。分析迷宮密封的密封機理和密封性能時，應考慮以潤滑油小液滴、潤滑油蒸汽和理想氣體為研究介質，從混合介質角度評估密封結構對特定介質的密封性能。張雨等[18]從油霧與理想氣體混合介質角度分析齒輪箱徑向迷宮密封，研究了混合介質下迷宮密封的密封機理。兩相流模擬模型主要分為歐拉?拉格朗日模型和歐拉雙流體模型，Euler-Euler雙流體模型采用形式統一的模型方程，計算量相對較小，因此，對于結構復雜的工程實踐模型，該方法更具有實用 性[19]。本文作者采用Euler-Euler雙流體模型，忽略潤滑油蒸汽的影響，以潤滑油小液滴和理想氣體混合物為研究介質，分析高速動車組齒輪箱密封系統的密封機理以及轉速、潤滑油參數等因素對密封性能的影響，以便為國產化齒輪箱密封結構設計以及性能優化提供依據。

1 計算模型與數值仿真方法

1.1 密封結構

圖1所示為驅動齒輪箱輸出端密封系統結構模型。密封系統由直通式和錯齒式迷宮密封組合變形而來，由入口至出口，轉子與靜子結構構成4道空腔，分別記為Ⅰ腔、Ⅱ腔、Ⅲ腔、Ⅳ腔。其中，Ⅰ腔和Ⅱ腔參考雙邊直通式迷宮密封結構，分別設有明顯的轉子腔和靜子腔，且Ⅰ腔中設有甩油環結構。Ⅲ腔參考錯齒式迷宮密封，轉子和靜子形成較大的空腔，Ⅳ腔為單邊直通式迷宮密封，空腔設置于靜子結構區。

圖1 驅動齒輪箱輸出端密封結構

1.2 數值計算

當齒輪箱迷宮密封系統入口壓力、出口壓力與泄漏量穩定時，內部流場可以看作三維定常的穩態流動。迷宮密封的入口邊界設為壓力入口，出口邊界設為壓力出口，出口壓力為環境背壓，進出口壓力比設為1.5，轉子轉速為0~10 000 r/min，轉子半徑設為50 mm。齒輪箱采用75W_90潤滑油。進行數值分析時，采用Eluer-Eluer兩相流模型，以理想氣體為主相，微米級潤滑油小液滴為次相，兩相均無相變反應。潤滑小油液滴直徑取5 μm，密度取816 kg/m3，運動黏度取 16.6 mm2/s，混合相中潤滑油體積分數為10%。

網格密度影響仿真計算的結果，設置合適尺寸的網格是仿真計算的前提。齒輪箱迷宮密封系統幾何模型形狀規則，采用結構化網格進行劃分，壁面采用標準壁面函數，對密封間隙以及甩油環等區域進行局部加密。隨著網格數量增加，密封泄漏量增加，當網格數量進一步增加時，泄漏量受網格數量的影響較小。綜合考慮計算精度和計算效率，選擇網格數為83萬的離散模型進行后續分析研究，圖2所示為密封系統的截面網格模型圖。

圖2 密封系統中截面CFD網格模型

1.3 數值方法驗證

目前缺乏多相混合介質下迷宮密封的相關試驗數據，本文參考經典迷宮密封試驗，以理想氣體為研究介質，對比WITTIG[20]的試驗結構與數據，論證仿真方法的可行性和準確性。

采用密封系數D評估密封性能：

式中：means為試驗或數值計算得到的理想氣體泄漏量；id為等熵理論計算得到的理想氣體泄漏量；id為泄漏參數；為間隙面積；0和n分別為入口壓力和出口壓力；0為初始溫度；為理想氣體比定壓熱容；為理想氣體比熱容。

采用結構化網格對迷宮密封進行結構離散，仿真分析密封間隙分別為1 mm和2.5 mm的密封結構及其密封性能。圖3所示為不同進出口壓力比下密封系數對比。由圖3可知，在同一工況下，數值計算結果與試驗結果變化規律基本一致，在同一壓力比下，相對誤差不超過15%，滿足工程應用的要求，說明仿真方法可行。

1—間隙1.0 mm，仿真結果；2—間隙1.0 mm，試驗結果；3—間隙2.5 mm，仿真結果；4—間隙2.5 mm，試驗結果。

2 計算結果及分析

2.1 流場分析

采用Euler?Euler模型，轉子轉速為6 000 r/min，其他參數保持不變，仿真分析混合介質下驅動齒輪箱密封系統的內部流場。圖4所示為迷宮密封中截面的壓力分布云圖，圖5所示為潤滑油液滴的速度分布云圖，圖6所示為液滴的分布云圖。

由圖4和圖5可知，密封介質通過密封齒發生加速降壓，空腔中形成渦流，耗散介質的動能，降低介質的流速。通過空腔的耗散作用和密封齒的降壓作用，介質壓力逐漸降低，最終趨向環境背壓，達到了密封的作用。由圖6可知，由于轉子旋轉作用，潤滑油主要分布于靜子腔中，在空腔中以理想氣體為中心，小油滴聚集在外圍的分布現象。通過設置甩油環結構，更多潤滑油小液滴集中于靜子腔，通過在靜子腔底部布置回油孔，有利于潤滑油的回油，提高密封系統的密封性能。

圖4 中截面壓力分布云圖

圖5 潤滑油液滴的速度分布云圖

圖6 潤滑油液滴分布云圖

2.2 轉子轉速對泄漏量的影響

迷宮密封介質為潤滑油小液滴和理想氣體混合物，介質密度相差較大，轉子轉速對不同介質的影響不同，造成混合介質分布發生變化，影響密封系統的密封性能。

為了分析轉子轉速與密封系統的密封性能的關系，保持其他參數不變，當數值計算轉子轉速為0~ 10 000 r/min時迷宮密封的潤滑油泄漏量。轉速與密封泄漏量的關系曲線如圖7所示。

由圖7可知：當轉子轉速較低時，密封結構的泄漏量隨著轉速升高而上升，但轉速超過一定閾值時，泄漏量隨著轉速升高而下降，當轉速超過8 000 r/min時，密封泄漏量下降減緩，趨于穩定。

圖8所示為不同轉子轉速下驅動齒輪箱密封系統中截面的潤滑油小液滴分布云圖。由圖8可知：隨著轉子轉速增加，潤滑油液滴分布明顯不同。潤滑油的分布直接影響密封結構的泄漏量，主要體現為：1) 迷宮密封的直通效應；2) 轉子旋轉造成轉子腔內介質速度高于靜子腔，介質速度越快，泄漏量越大，轉子腔內介質更容易泄漏；3) 密封結構中不同的空腔位置對泄漏影響不同，靠近出口的密封腔內介質更容易泄漏。驅動齒輪箱密封系統通過設置高低齒等結構變形，避開直通式泄漏，非接觸式密封的直通效應影響較小。

圖7 不同轉子轉速下密封泄漏量曲線

轉速/(r?min?1)：(a) 0；(b) 3 000；(c) 6 000；(d) 10 000

當轉子轉速為0 r/min時，靜子腔與轉子腔中液滴分布較為一致。液滴主要分布于空腔四周，空腔中形成以理想氣體為主的渦流，受介質軸向流動的影響，渦流中心沿介質流動方向發生偏移。當轉子轉速達到3 000 r/min時，Ⅰ腔、Ⅱ腔中轉子腔內潤滑油甩到靜子腔中，在甩油環作用下，I腔轉子腔中基本無潤滑油，有利于減小潤滑油泄漏；同時，更多潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔流向Ⅲ腔中，Ⅰ腔、Ⅱ腔潤滑油含量明顯降低，Ⅲ腔中潤滑油含量明顯上升；Ⅳ腔中只設有靜子腔，潤滑油越過靜子腔由間隙通道直接泄漏。潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔向Ⅲ腔、Ⅳ腔轉移的過程中，造成潤滑油小液滴泄漏增加。綜合作用下，潤滑油泄漏量隨著轉速增加而上升。

當轉速進一步提高，達到6 000 r/min時，Ⅰ腔、Ⅱ腔中潤滑油含量增大，減少了潤滑油的泄漏。同時，由于潤滑油密度較大，轉速對潤滑油離心力影響較大，Ⅰ腔、Ⅱ腔中潤滑油主要集中于靜子腔，Ⅲ腔中潤滑油主要偏向于靜子側，潤滑油泄漏量進一步減少。當轉速達到10 000 r/min時，Ⅰ腔、Ⅱ腔中轉子腔潤滑油含量進一步降低，更多潤滑油集中于靜子腔，Ⅲ腔中潤滑油偏向靜子側；同時，Ⅳ腔中靜子腔中存儲一部分潤滑油，降低潤滑油泄漏量，但更多潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔轉向Ⅲ腔、Ⅳ腔，增加了潤滑油泄漏。綜合作用下，潤滑油泄漏量下降，但下降幅度減小，趨于穩定。

轉子轉速對迷宮密封內部流場分布影響較大，當轉子產生旋轉效應時，轉子腔中潤滑油含量下降。綜合考慮轉子腔和靜子腔的潤滑油含量以及潤滑油所在空腔所處的位置，最終造成潤滑油泄漏量先上升后下降最后趨于穩定的現象。

2.3 潤滑油液滴體積分數對泄漏量的影響

為分析潤滑油液滴體積分數對密封系統的密封性能影響，數值計算進出口壓比為1.5，液滴直徑分別為1 μm和5 μm，轉子轉速為6 000 r/min，潤滑油體積分數為1%~15%時驅動齒輪箱密封系統的泄漏量。圖9所示為不同液滴直徑下密封結構泄漏量與潤滑油體積分數之間的關系。

由圖9可知：在不同潤滑油液滴直徑下，潤滑油體積分數對迷宮結構泄漏量的影響規律基本一致；在同一轉速下，潤滑油液滴體積分數越高，泄漏量越大，但液滴體積分數越高，對泄漏量的影響越小，呈非線性關系。

液滴直徑/μm：1—1；2—5。

隨著潤滑油體積分數增加，進入密封系統的潤滑油含量增加，造成潤滑油泄漏量增加；但潤滑油體積分數越高，在轉子旋轉作用下，密封介質承受離心力作用，更多的潤滑油由轉子腔進入靜子腔或靜子側，潤滑油體積分數對密封泄漏的影響減弱，泄漏量并沒有隨潤滑油體積分數的增加呈等比例線性增長。

2.4 潤滑油液滴直徑對泄漏量的影響

對比分析潤滑油液滴直徑(微米級)對密封系統的密封性能影響，數值計算進出口壓力比為1.5，轉子轉速為6 000 r/min，潤滑油體積分數為1%，10%和15%，液滴直徑為1~15 μm時驅動齒輪箱密封系統的泄漏量。圖10所示為不同液滴體積分數下密封結構泄漏量與液滴直徑的關系。

潤滑油體積分數/%：1—1；2—5；3—10。

由圖10可知：不同潤滑油液滴體積分數下，潤滑油直徑對迷宮結構泄漏量的影響規律基本一致；在同一轉速和潤滑油體積分數下，潤滑油液滴直徑越大，泄漏量越大，泄漏量隨液滴直徑的變化呈近線性變化。這是由于隨著潤滑油直徑增大，單個潤滑油顆粒的體積增大，轉子旋轉造成離心力影響增大，更多的潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔轉向Ⅲ腔、Ⅳ腔，造成潤滑油泄漏增大，呈近線性增加。

3 結論

1) 轉子轉速對迷宮密封的內部流場分布產生影響，直接決定密封結構的密封性能，主要表現為：直通式密封的直通效應；轉子腔內介質泄漏較靜子腔更容易；不同的空腔位置中的介質對泄漏影響不同，靠近出口的密封腔內介質容易泄漏。

2) 隨著轉子轉速增加，潤滑油液滴的泄漏量先上升后下降最后趨于穩定。

3) 潤滑油液滴體積分數越高，泄漏量越大，但液滴體積分數較高時，對泄漏量的影響較小，呈非線性關系。

4) 微米級潤滑油液滴直徑越大，泄漏量越大，泄漏量隨液滴直徑的變化呈近線性變化。

5) 齒輪箱迷宮密封設計時，應充分考慮轉速對密封介質分布的影響，通過結構設計和優化，使得潤滑油盡可能集中于靠近入口的腔室中，尤其是靜子腔，同時減少進入密封系統的液滴體積分數和直徑，提高密封系統的密封性能，減少齒輪箱的潤滑油泄漏。

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Analysis of high-speed EMU gearbox sealing system based on multiphase flow theory

ZHANG Yu, ZHANG Kailin, YAO Yuan

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 6130031, China)

In order to investigate the sealing mechanism of the gearbox sealing system for high-speed electric multiple unit(EMU), the sealing performance of the Labyrinth seal with the mixture of lubricating oil and ideal gas was analyzed, and the calculation model of the sealing system structure of the output end of a domestic driving gearbox was established. The internal flow field of the sealing system was obtained by using Euler-Euler two-phase model. The influence of the rotor speed on the media distribution of the internal flow field in the mixed medium, and the oil droplet concentration and diameter on the leakage loss of the sealing structure were also studied. The results show that the straight-through effect of seal clearance, the distribution of lubricant droplets in the stator cavity or the rotor cavity, and the position of the cavity are the main factors in affecting the performance of labyrinth seal. The leakage loss of lubricating oil droplet increases with the increase of rotor speed, reaches a maximum, and then decreases and levels off with the further increase of rotor speed. The higher the oil droplet concentration, the larger the diameter, and thus the larger the leakage loss. However, the higher the oil droplet concentration, the smaller the effect of the concentration on the leakage loss, which shows non-linear relation. The leakage loss increases linearly with the increase of oil droplet diameter.

high-speed gearbox;sealing system; multiphase flow; lubricating oil; leakage loss

U270.2

A

1672?7207(2019)03?0550?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.007

2018?04?16；

2018?05?17

國家自然科學基金資助項目(51675443，51735012)；牽引動力國家重點實驗室自主研究課題資助項目(2017TPL?T2，2018TPL?T05) (Projects(51675443, 51735012) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2017TPL?T2, 2018TPL?T05) supported by State Key Laboratory of Traction Power of the Independent Research and Development Program)

張雨，博士研究生，從事齒輪箱潤滑與密封研究；E-mail：zhangyutpl@163.com

(編輯 趙俊)