軸承腔環瓣式浮環密封摩擦熱分析*

王佳星，李雙喜*，馬文杰，馮瑞鵬，劉志偉

(1.北京化工大學 流體密封技術研究中心，北京 100029；2.北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引 言

航空發動機主軸承腔處于高溫、高速、變載荷等較為惡劣的工況中[1]，對密封的要求較高。環瓣式浮環密封具有適應工況范圍廣、密封性能穩定性強的特點，因此已經成為航空航天領域重要密封形式之一[2]。工作狀態下過高的溫度會導致潤滑油在密封處產生碳化，增大密封面摩擦磨損，導致密封壽命減小，甚至密封環損壞，因此摩擦生熱的冷卻降溫尤其關鍵。

韓國的Kyung Won University機械工程系對液體火箭渦輪泵中浮環密封進行了研究分析[3]。美國航天局在1978年對液體火箭渦輪泵轉軸中的分瓣浮環密封做了NASA分析報告[4-5]，認為分瓣浮環密封在高速、低壓、極端溫度的條件下，具有更低的磨損和泄漏量，并且具有很長的使用壽命。蘇令[6]根據Ng和Pan湍流潤滑理論，修正并完善了內開動壓槽結構的環瓣式浮環密封數值計算模型，模型加入了結構參數對密封性能的影響；王飛[7]在此基礎上分析了密封的性能，并對密封的結構參數進行了優化，使密封在保證最小泄漏量的條件，盡可能地減少摩擦磨損；鄭利勝[8]通過建立三維模型，將熱載荷與密封環結構耦合，得到了受摩擦熱影響下的密封應力狀態；閆玉濤[9]利用摩擦磨損試驗機研究了石墨M210在高溫狀態下的摩擦磨損性能，這種石墨材料的摩擦因數在高溫下先增大后減小，最后保持穩定；胡亞非[10]研究了不同浸漬石墨和人造石墨的摩擦磨損特性，發現浸銻石墨比較容易形成穩定的膜潤滑狀態。

本文將針對航空發動機主軸承腔高轉速、變壓差下摩擦生熱問題，通過有限元軟件，將密封摩擦發熱以熱邊界條件的方式施加到跑道模型上，模擬跑道的溫度分布及冷卻油散熱效果，找出不同參數對密封發熱量的影響，得出影響密封發熱的主要參數，為環瓣式浮環密封的性能優化提供改進思路。

1 環瓣式浮環密封熱邊界條件

1.1 環瓣式浮環密封工作原理和熱環境

環瓣式浮環密封作為一種具有自動補償功能的徑向密封，可以在高溫、高速的工況下，很好地抵消軸膨脹和軸跳動。

密封分為接觸式環瓣式浮環密封和流體動壓型環瓣式浮環密封。接觸式環瓣式浮環密封環內徑與轉子處于接觸狀態，流體動壓型環瓣式浮環密封環內徑與轉子處于非接觸狀態。密封結構主要包括：密封環、跑道、密封座、壓縮彈簧、環形箍緊彈簧、防轉銷[11]。

環瓣式浮環密封結構如圖1所示。

圖1 環瓣式浮環密封結構圖

由圖1可以看出：密封環的內徑表面與裝在轉軸上的跑道外徑面配合接觸，形成主密封面，承受高速轉動摩擦；密封環側面的凸邊與密封座的端面貼合，形成輔助密封界面；環瓣密封環與跑道的初始載荷接觸狀態靠環形箍緊彈簧實現，與密封的初始接觸載荷靠壓縮彈簧或者波形彈簧實現。

停車工況下，通過彈簧提供的閉合力和高精度的配合面，密封環可以形成比較良好的靜密封。封環的環瓣中間位置開定位槽，與密封座上的防轉銷配合，既可以防止密封隨軸轉動，又允許密封徑向移動，可以補償軸的偏心和轉動時的徑向跳動。密封環的主副密封面凸緣均設置在靠近低壓側，這樣可以有效地降低壓差引起的不平衡力，減小接觸載荷，減少摩擦磨損，增加使用壽命。密封環的分段數一般為3～5段，具體的數量主要由石墨材料的強度決定[12]，強度高，分段數可以增加。增加密封環的分段數，可以減小密封環運轉時的扭轉力矩，使密封環受力摩擦均勻。密封環兩個分段搭接部分留有一定間隙余量，可以對主密封面磨損時以及在制造、安裝過程的誤差進行徑向補償，防止搭接頭頂撞而使主密封面出現接觸不良[13]。

軸承腔工作狀態下，密封面會因為摩擦生熱，同時潤滑油會不可避免泄漏到密封面上，過高的溫度會導致潤滑油在密封處產生碳化，增大密封面摩擦磨損，導致密封壽命減小，甚至密封環損壞，因此散熱就很重要。

軸承潤滑和降溫多采用噴射供油和環下供油的方式[14]，跑道噴油散熱的方式主要有3種，分別是跑道外徑直噴式、環下油孔冷卻式、懸臂環下冷卻式。筆者將以懸臂環下冷卻式作為分析對象，研究跑道的溫度分布及散熱情況。

1.2 環瓣式浮環密封熱邊界條件

有限元模型分析的邊界條件包括冷卻油入口、冷卻油出口以及熱邊界條件。其中，熱邊界條件主要有主密封面的摩擦熱、跑道與空氣接觸的熱對流邊界、滑油與空氣接觸的熱對流邊界、跑道與軸之間的導熱系數。熱流密度可以通過密封面摩擦生熱量比上接觸面積求得，導熱系數可以通過相關資料查取。而由于流體介質流動的復雜性，對流換熱系數的確定只能估算。

(1)密封摩擦熱

環瓣式浮環密封的發熱主要有兩部分組成，包括主密封面的發熱和輔助密封面的發熱[15]。

主密封面的發熱量為：

Q1=πD0Bpg1f2Vg1

(1)

輔助密封面的發熱量為：

(2)

在運行過程中，主軸的徑向跳動量很小，輔助密封面的摩擦線速度Vg2很小，因此輔助密封面的摩擦熱可以忽略不計，進行有限元模擬分析時，只須計算主密封面的摩擦熱，作為密封的熱邊界條件。

(2)對流換熱系數

對流換熱系數計算公式[16-17]為：

(3)

式中：Rec—流體旋轉運動的雷諾數，Rec=ωd2/v；Ref—流體軸向運動的雷諾數，Ref=ud/v；Pr—普朗特常數；α—對流換熱系數，W·m-2·K-1；d—傳熱面直徑，軸向為柱面外直徑，徑向平面隨直徑方向逐漸增大，m；ω—跑道角速度，rad·s-1；ν—流體運動粘度，m2·s-1；u—跑道周圍介質軸向平均流速，本文主要為密封泄漏量流速，m/s；λ—流體的導熱系數，W·m-1·K-1。

根據經驗可知，氣體與金屬的對流換熱系數相對比較小，并且不同位置半徑處的對流換熱系數差值很小，因此對流換熱系數在跑道直徑方向的變化可以全部約等于跑道外徑面處的對流換熱系數。

2 摩擦生熱與散熱影響因素分析

2.1 浮環密封熱分析有限元模型

浮環密封摩擦熱過程主要分為摩擦生熱與跑道散熱，有限元模型分為兩部分：跑道和冷卻油膜。

跑道散熱有限元模型及邊界如圖2所示。

圖2 模型及邊界示意圖

由圖2中可看到：基于有限元模型，在摩擦生熱工況下，跑道外側通過施加相應的邊界條件模擬實際工況，與密封環接觸的跑道面施加密封環摩擦發熱量，分析密封結構參數、工況參數、摩擦系數對密封發熱的影響。

在冷卻油沖洗散熱工況下，跑道內側面與冷卻油直接接觸，跑道和油之間的換熱系數可以通過Fluent有限元軟件迭代計算，大大提高了計算精度。跑道采用sweep方法劃分為六面體網格，為提高計算精度，流體部分按膜厚方向進行sweep劃分為六面體網格，最小不少于3層。

經過網格無關性測試，證明網格質量滿足要求，沒有因網格問題產生的計算誤差。

在進行有限元模擬時，為研究阻封氣溫度對跑道的影響，筆者加入阻封氣的溫度變量，在不同阻封氣溫度下，研究通油量對跑道降溫效果的變化。

模型邊界條件加載如表1所示。

表1 邊界條件

由表1可以看出：在計算對流換熱系數時，需要介質在不同溫度下的運動粘度、導熱系數和普朗特常數，模擬的阻封氣為空氣。跑道材料選用Fluent中內置鋼材料。密封冷卻油由軸承腔潤滑系統提供。

由于冷卻油在冷卻跑道的過程中參數不斷變化，為提高計算精度，在Fluent軟件中創建材料時，筆者先將參數隨溫度的變化物性參數擬合成近似曲線，提取曲線的擬合公式，最后把公式輸入到Fluent中。

2.2 浮環密封摩擦生熱及溫度場分析

2.2.1 主軸轉速對密封發熱量的影響

在壓差為0.08 MPa條件下，筆者模擬轉速在10 000 r/min和30 000 r/min情況，轉速對密封發熱影響相當大，阻封氣溫度將達到幾百攝氏度，高壓側溫度集聚將更加嚴重，跑道必須增加有效強制降溫措施。經分析得出，轉速對跑道發熱量的影響呈近似線性增長趨勢，這對于軸承腔熱平衡計算是不可忽視的因素。跑道溫度升高也間接表明密封摩擦磨損加重。

2.2.2 壓差對密封發熱量的影響

轉速為18 000 r/min下，隨著壓差的增大，摩擦發熱更加明顯，這會導致跑道熱應力和熱變形增大，密封與跑道的貼合程度變差，使密封性能變差。經分析得出，壓差與跑道最高溫度成線性增長。當設計壓差較大時，為提高跑道的散熱效果，可以增加密封環的數量，采用多級密封，將熱源分散，既可以降低密封的泄漏量，又能提高跑道的散熱效果。

2.2.3 環形彈簧箍緊力對密封發熱量的影響

在密封結構、工況確定的條件下，可以通過彈簧箍緊力調節密封的隨動性和微調密封泄漏量。環形彈簧箍緊力對密封發熱量影響非常大，在設計彈簧箍緊力時，應充分考慮密封環摩擦和溫度對彈簧力的影響。

經分析得出，箍緊力與跑道最高溫度呈線性變化，同時，當轉速由18 000 r/min增加到 30 000 r/min時，跑道最高溫度相同的情況。通過對比可以發現，箍緊力與壓差引起的發熱量變化可以直接進行疊加，即一條壓差溫度變化線與一條箍緊力溫度變化線即可得到在兩個變量范圍內任意組合下的跑道最高溫度，這對于估計跑道在某一工況下的跑道最高溫度有比較大的實際意義。

2.3 浮環密封沖洗散熱分析

軸承腔工況參數如表2所示。

表2 軸承腔工況參數

根據表2中的參數，筆者對高壓側阻封氣溫度分別為100/300 ℃條件下，冷卻油供油量從0.5 L·min-1到7 L·min-1，跑道溫度的變化情況進行模擬。

不同阻封氣溫度在通油時的跑道散熱溫度分布云圖如圖3所示。

圖3 跑道散熱溫度分布云圖

從圖3可以看出：跑道內側噴油可以明顯降低跑道溫度，尤其是軸承腔低壓側跑道的溫度；同時，在高轉速下，高溫阻封氣對跑道的溫度分布影響也很大。

將圖3(a，c)分別與圖3(b，d)進行對比可以發現：

(1)當冷卻油量從0.5 L·min-1增加到3 L·min-1，油冷卻效果對油出口側的跑道冷卻效果非常明顯，對于阻封氣側的溫度影響效果相對較小；

(2)當冷卻油量為0.5 L·min-1時，冷卻油出口溫度與所接觸的跑道的溫度差別不大，說明冷卻油吸熱量已經接近飽和，可以通過增大通油量來提高跑道降溫效果；

(3)當冷卻油量為3 L·min-1時，油溫進出口的變化不大，表明跑道與冷卻油換熱量已經接近飽和，再增大通油量降溫效果已經微乎其微。

對比圖3(b，d)可以發現，當阻封氣溫度從100 ℃增加到300 ℃時，密封摩擦熱的影響溫度環帶逐漸消失，這表明跑道的溫升主導因素從摩擦熱變為阻封氣加熱。

隨著噴油量與阻封氣溫度改變，冷卻油出口溫度和摩擦面溫度的具體數量變化情況如圖4所示。

圖4 冷卻油出口和跑道摩擦面溫度分布

圖4(a，c)中，冷卻油出口溫度分布橫坐標為邊界a到b；圖4(b，d)中，摩擦面溫度分布橫坐標為邊界s到r。

3 試驗驗證

密封試驗裝置結構如圖5所示。

圖5 試驗裝置結構圖1—密封環；2—密封腔；3—跑道；4—漲套

根據圖5的結構并結合前面的分析，通過對密封環施加不同壓差、轉速、環形彈簧箍緊力等，筆者驗證了理論計算結果的準確性。

3.1 壓差對泄漏量的影響

環瓣式浮環密封變壓差泄漏量試驗主要包括兩方面：靜態泄漏量和動態泄漏量；測量壓差范圍為0.01 MPa～0.1 MPa，出口壓力為大氣壓；動態泄漏量測量轉速為18 000 r/min。

試驗時，測量值為密封總泄漏量。將結果與理論計算值進行對比可以得出，隨著壓差的增大，密封靜態泄漏量的試驗值與計算值增長趨勢逐漸放緩；試驗值與計算值誤差隨著壓差的增大而增大，這主要是由于試驗測量時，密封環未與跑道跑合，加工和安裝的誤差導致的密封泄漏間隙影響隨壓差的增大而被放大；密封動態泄漏量變化趨勢基本相同，但試驗值曲線與計算值曲線的貼合程度明顯加強，由此說明，密封的跑合優化了試驗值與計算之間的誤差。

由以往對密封泄漏量的計算經驗可以得出，這種誤差已經屬于可接受誤差范圍內。

3.2 轉速對泄漏量的影響

在0.04 MPa和0.1 MPa壓差下，試驗測試密封隨轉速的變化情況，通過與計算值的對比分析，主要驗證速度系數的準確性。試驗轉速范圍為6 000 r/min～20 000 r/min，可以得出密封泄漏量隨轉速增長呈內凹型曲線增長。試驗值與計算值趨勢相同，這說明轉速對密封的影響越來越大。

根據試驗分析，轉速對密封泄漏量的影響主要來源于電機主軸的跳動。轉速的增加，主軸跳動給密封環帶來的慣性力會成加速增加，導致密封的追隨性降低，進而使密封的泄漏量增大。

試驗值與計算值的貼合性逐漸變好，密封與跑道的跑合使密封泄漏量在一定程度上得到了優化，由此也證明了速度系數的準確性。

3.3 環形彈簧箍緊力對密封性能的影響

環形彈簧作為密封正常運轉的核心部件，其大小影響密封的泄漏量和發熱量等密封參數。通過對密封環施加不同環形彈簧箍緊力，驗證了理論計算結果準確性。

研究箍緊力對密封發熱量的影響，可以通過試驗時測量密封運轉一定時間后跑道的溫度變化情況。環形彈簧箍緊力對密封的發熱量影響很大，為保證密封環不會因發熱量過大被燒壞，試驗時僅測量無通壓、轉速為8 000 r/min、運轉5 min條件下跑道的溫度。跑道溫度采用測溫槍測量，測溫槍對準跑道內側表面，讀取跑道內表面最高溫度。

通過彈簧測力計測得彈簧拉力值如表3所示。

表3 試驗環形箍緊彈簧力實測值

分析表3數據可知：當彈簧力為1.7 N時，密封發熱量較少；當彈簧力大于2.0 N，跑道最高溫度隨彈簧力成加速增長趨勢，彈簧力為3.7 N時，溫度升高了超過40 ℃。由此可以看出，箍緊力對密封的摩擦發熱量影響非常大。

大箍緊力、高轉速試驗后跑道和密封環如圖6所示。

圖6 運轉試驗后跑道及密封環

從圖6(a)可以看出：跑道表面已經產生變色，可見密封摩擦已經產生非常高的溫度。密封環如圖6(b)所示，試驗后發現密封環磨損嚴重，并出現了環瓣和搭接頭斷裂的情況，可見過高的箍緊力會嚴重降低密封環的使用壽命。

4 結束語

本文針對航空發動機主軸承腔高轉速、變壓差下摩擦生熱問題，對環瓣式浮環密封的主要參數進行了研究，得到以下結論：

(1)基于有限元軟件，建立密封跑道傳熱模型，通過跑道的溫度分布研究工況、結構參數對密封發熱量的影響，發熱量的大小通過跑道的溫度分布更加直觀地表現出來；

(2)研究工況參數對密封發熱量的影響結果表明，壓差、轉速對密封摩擦發熱的影響非常大。當設計壓差、轉速較大時，應通過減小關閉壓力的方法來減少密封的發熱；環形彈簧箍緊力對密封泄漏量影響不大，對密封發熱量影響很大；

(3)研究結構參數對密封發熱量的影響結果表明，主密封面寬度不僅對泄漏量影響很大，對密封發熱量也影響很大，在密封設計時，可以通過密封發熱量曲線確定主密封面寬度的設計值范圍；

(4)基于Fluent建立的跑道散熱流固熱耦合模型，研究不同阻封氣溫度、冷卻油流量下跑道的溫度變化。研究結果表明，當阻封氣溫度升高，氣體對跑道溫升變化將成為主要因素，最好再外部做適當降溫；跑道與冷卻油換熱存在極限值，繼續增加供油量不會提高跑道的降溫效果。

本文研究結果可為環瓣式浮環密封的性能優化提供改進思路。