油氣兩相回流泵送密封的端面溫度分布分析及試驗驗證

2019-05-30 08:59:38

潤滑與密封 2019年5期

(北京化工大學流體密封實驗室北京 100029)

近年來，油氣兩相潤滑技術因其效率高、潤滑效果好、能耗小等優點，在高速旋轉機械領域得到了廣泛應用。然而隨之而來的油氣兩相潤滑的密封問題，已成為制約其發展的瓶頸。在油氣兩相條件下，傳統的單介質密封不再適用[1]。

目前，國外已經研究出應用于航空發動機高速軸承腔兩相混合潤滑下的非接觸動壓密封，如美國NASA利用流體動力和流體靜力潤滑原理，發展了主要應用于航空高速軸承腔的高性能流體膜密封裝置[2]。國內對干氣密封和上游泵密封等單介質密封的研究，主要集中在動壓槽槽形設計及優化，密封操作參數及結構參數對密封性能的影響，密封端面間流體膜動力狀態及熱行為等方面[3-5]，而對氣液兩相混合狀態下的密封端面溫度的基礎理論研究相對較少。密封端面溫度不但影響端面變形，也表征了端面的摩擦狀態，對密封的運行至關重要，尤其是對于動壓密封啟停時的非開啟狀態。在非開啟狀態下，密封端面溫度因干摩擦而急劇上升，進而引起熱變形和熱應力，直接影響到密封的啟停性能。端面溫度引起流場和端面相互作用，產生微米級變形，對密封穩態性能也有著不可忽視的影響[6]。因此，本文作者對端面溫度的監測和分析有助于研究密封失效的機制，為進一步研究密封端面溫度對密封性能的影響提供了依據。

1 工作原理

圖1所示是油氣兩相回流泵送密封(OG-BPS)的結構和工作原理。密封的外側是潤滑油和空氣，內側是空氣。當轉速超過一定范圍時，在旋轉元件的高攪拌力和自身離心力的共同作用下，油被分解成小油滴，油滴與空氣充分混合形成油氣兩相介質。

圖1 OG-BPS結構和工作原理圖

動環低壓側開設微米級的螺旋槽。當密封運轉時，高壓側的流體從密封環外側進入端面，部分流體泄漏到低壓側，由于螺旋槽的存在，泄漏流體被吸入槽中并隨槽一起旋轉。當流體移動到螺旋槽的根部時，流道變窄，流體在此處聚集，從而產生高壓區并起到密封作用。其中，泄漏流體在低壓側被“吸回”到高壓側的效果稱為“回流泵送”。

當轉速低于開啟轉速時，密封環相互接觸，稱此狀態為未開啟態。當轉速高于開啟轉速時，密封環不再相互接觸，稱此狀態為開啟態。由于2種狀態的傳熱機制不同，以下將分別進行分析。

2 熱-固耦合分析模型

2.1 物理模型

槽形為螺旋槽，其表達式為

r=rgeθtanα

(1)

式中：rg為槽根半徑，mm；θ為螺旋線轉角，(°)；α為螺旋角，(°)。

密封的具體結構尺寸及操作參數如表1所示。

表1 OG-BPS的結構參數和操作參數

鑒于幾何模型的中心對稱和周期性，選取密封環一個周期作為計算區域。周期性邊界條件為

{φ(r,θ2,z)=φ(r,θ1,z)

θ2=θ1+2π/Ng

(2)

開啟態和未開啟態下的數值模型如圖2所示。開啟態下的流體域分為2個區域，分別是槽區流體域和膜區流體域。流體域單周期模型(厚度方向尺寸放大1 000倍)如圖2(c)所示。

圖2 數值分析模型

2.2 網格劃分及驗證

根據文獻[7]，在槽區厚度方向上以1 μm劃分一層網格，膜區劃分8～10層網格時計算精度最高。因此，槽區流體域劃分5層網格，膜區劃分9層網格。由于模型中存在螺旋線與圓弧線相交的尖點，因此在ICEM軟件運用進行拓撲原理劃分六面體網格，對網格進行修復，提高網格質量。經網格無關性驗證，最終動環網格數為1 218 009，靜環網格數為1 022 300，周期流體域網格數為492 600；未開啟態下的網格數為2 389，網格平均質量0.998。網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分

2.3 熱平衡分析

由于密封邊界復雜，因此進行如下假設[8]：(1)密封環的溫度場為穩態溫度場；(2)介質泄漏率很小，認為熱量全部由密封環傳遞；(3)開啟態時密封動靜環端面熱流密度均勻分布；(4)與動、靜環接觸的密封元件的熱邊界為對流換熱；(5)與輔助密封元件O形圈相接處的邊界為絕熱邊界；(6)密封介質和密封環材料的性質不隨溫度變化。

圖4所示是密封環的理論模型。密封在開啟態下，其端面間的黏性剪切熱為QV；密封在未開啟態下，動環、靜環端面間摩擦熱為QF；輔助密封O形圈的摩擦熱和彈簧的振動熱等為QG，由于其熱量很小，因此計算時忽略。散熱包括：動環旋轉時表面與油氣兩相流體、空氣的強對流換熱QA1、QA2；靜環與油氣兩相流體、空氣的弱對流換熱QB1、QB2；動環傳遞給軸、靜環傳遞給靜環座的熱量QC1、QC2；流出密封端面的氣相、液相帶走的熱量QD1、QD2。根據微流場的計算結果，密封進出口的介質質量流量很小，為10-6g/s量級，可視為零泄漏[9]，因此忽略介質帶走的熱量。