接觸式密封間隙內(nèi)流動模型和密封性能分析

摘要：本文采用解析法和數(shù)值法相結(jié)合的形式，針對航空發(fā)動機(jī)常用接觸式密封間隙內(nèi)流動進(jìn)行求解。研究了密封端面壓力、泄漏量、密封接觸力的分布和變化與膜厚關(guān)系。研究表明，密封泄漏量大小與密封間隙及密封間潤滑油的粘度有很大的聯(lián)系；雖然在等溫等膜厚的條件下，解析方法和數(shù)值方法都能得到正確的解，而解析方法顯然更加方便精確（無數(shù)值誤差），但用解析方法計算在有粘度變化的情況下的端面壓強(qiáng)分布是存在一定困難的，此時，建立數(shù)值模型對密封流場進(jìn)行分析就會顯示出它的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封 密封間隙流場 數(shù)值模型 密封性能

1 引言

航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的心臟，是航空工業(yè)的核心技術(shù)，也是衡量一個國家軍事裝備水平、科技工業(yè)實力和綜合國力的重要標(biāo)志。航空發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件及其關(guān)鍵技術(shù)的研制，是推動航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展必不可少的支柱，而且隨之帶來的新的經(jīng)濟(jì)增長方式和科學(xué)技術(shù)發(fā)展對增強(qiáng)國家綜合實力和國際競爭力、加快現(xiàn)代化步伐具有重大意義。密封是航空發(fā)動機(jī)的重要部件之一，其性能對發(fā)動機(jī)燃油消耗率和推重比等有著直接的影響，密封性能退化及其引起的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)故障也是引起飛機(jī)計劃外更換發(fā)動機(jī)的重要原因之一。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)密封通常在高旋轉(zhuǎn)速度、高環(huán)境溫度或高摩擦生熱的特殊條件下工作，對密封的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等提出了極高的要求。國外已在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)軸密封方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，而我國在航空發(fā)動機(jī)密封方面的研究與國外相比還存在巨大差距，技術(shù)水平滯后于我國航空發(fā)動機(jī)性能快速發(fā)展的現(xiàn)狀。

1、8防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，2安裝座，3彈性元件，4、7次級密封圈，5動環(huán)又稱跑道，6靜環(huán)

圖1 航空發(fā)動機(jī)常用密封件結(jié)構(gòu)簡圖

本文研究對象是如圖1所示的航空發(fā)動機(jī)常用密封件，屬于接觸式機(jī)械密封，是一種依靠彈性元件對靜動環(huán)端面密封副的預(yù)緊與介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊而達(dá)到密封的軸向密封裝置[1]，其主要的組成部分包括靜環(huán)、動環(huán)、彈性元件等。該密封是一種接觸式機(jī)械密封，即在運轉(zhuǎn)中存在著密封端面之間的固體接觸。對于接觸式密封，在其運行時，密封動環(huán)和靜環(huán)之間存在著一層很薄的流體潤滑膜，同時，也存在著動環(huán)和靜環(huán)表面粗糙峰直接接觸，這兩部分力的和即為密封環(huán)的開啟力，與密封環(huán)背部的作用力相平衡。因而在計算中，需要分別對流體膜作用力和固體接觸力進(jìn)行計算。對于密封間隙內(nèi)流動，由于膜厚很薄，可采用雷諾方程對流場進(jìn)行求解。在本文的計算中，假設(shè)密封端面呈平行狀態(tài)，膜厚均勻分布，而且假設(shè)溫度均勻分布。

2基本參數(shù)

計算的基本參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)學(xué)物理模型和數(shù)值求解方法

在平行膜厚假設(shè)下，密封間隙內(nèi)流動可采用解析法和數(shù)值法兩種途徑進(jìn)行求解。解析法計算簡單、便捷、精確，但可拓展性差，無法推廣到復(fù)雜的幾何形狀和變密度、變粘度問題；數(shù)值法計算過程較為繁瑣，但適用性廣，方便今后向更復(fù)雜的模型進(jìn)行演化。因此，本論文中采取了解析方法和數(shù)值方法相結(jié)合的形式進(jìn)行。下面分別對解析法和數(shù)值法的基本方程和求解方法進(jìn)行說明。

3.1解析法求解

對于平端面機(jī)械密封，可采用極坐標(biāo)系下的雷諾方程進(jìn)行求解。其方程如下：

3.2數(shù)值法求解

采用直角坐標(biāo)系下的雷諾方程進(jìn)行求解，其方程如下：

4 結(jié)果和討論

主要研究膜厚變化對流場的影響，論文中算例溫度與膜厚的取值如表2所示。

隨著密封端面的膜厚的變大，密封由于粗糙峰接觸而產(chǎn)生的力以一個較快的速度下降。

密封穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的情況下開啟力等于閉合力。在一般情況下，密封的開啟力由密封端面的液膜承載，而當(dāng)液膜的力不足以使得密封開啟時，密封端面將會接觸，提供部分使得密封穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的力。在本算例中，設(shè)彈簧力為35N，因而密封表面接觸需要提供的力為：

35N-25.4472N=9.5528N

插值得到膜厚為2.927um。

d）在膜厚為2.927um的情況下，改變密封端面液膜溫度，由于潤滑油粘度隨溫度而變化，泄漏量也將發(fā)生變化。而且隨著溫度的變化，泄漏率變化越來越顯著。而密封端面壓力則不會受到影響。

5 結(jié)論

密封的泄漏量大小與密封的間隙及密封間潤滑油的粘度有很大的聯(lián)系。在等溫等膜厚模型中，密封端面壓強(qiáng)的分布與溫度及間隙無關(guān)，并且與解析解吻合的非常好。但是在非等溫模型中，壓強(qiáng)的分布將會與溫度有較大的關(guān)系，這是由于溫度的變化將會引起潤滑油粘度的變化，從而使得端面壓強(qiáng)有所改變。雖然在等溫等膜厚的條件下，解析方法和數(shù)值方法都能得到正確的解，而解析方法顯然更加方便精確（無數(shù)值誤差），但用解析方法計算在有粘度變化的情況下的端面壓強(qiáng)分布是存在一定困難的，此時，建立數(shù)值模型對密封流場進(jìn)行分析就會顯示出它的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧永泉. 機(jī)械密封實用技術(shù). 2007：6.

作者簡介：

胡國良（1980-），男，工程師職稱，1999年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)，本科學(xué)歷；2016年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)控制工程專業(yè)，工程碩士學(xué)位；現(xiàn)任職于中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所，從事航空密封、慣性技術(shù)研究和產(chǎn)品研制、生產(chǎn)管理工作。