基于流固耦合的柱面氣膜密封支撐結(jié)構(gòu)性能研究*

白超斌 劉美紅 孫軍鋒 代 迪

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 云南昆明 650504)

在高速柔性轉(zhuǎn)子流體機(jī)械中，對高速柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵部位應(yīng)用高性能密封技術(shù)，以提高整機(jī)的工作效率、降低油耗、提高相關(guān)構(gòu)件的耐久性和工作壽命，一直以來是人們追求的目標(biāo)[1]。高速柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中存在2種特殊的工況條件：系統(tǒng)的三高(高界面滑速、高環(huán)境溫度、高邊界壓差)和轉(zhuǎn)子較大的動態(tài)位移(源于劇烈振動、熱力變形等)[2]，柱面氣膜密封的優(yōu)良密封性能為這一問題提供了有效的解決途徑。

柱面氣膜密封系統(tǒng)主要由柔性支撐系統(tǒng)和浮環(huán)構(gòu)成，因?yàn)橛腥嵝灾蔚拇嬖冢诠ぷ髦性试S更大的徑向位移[3]。但是由于柱面氣膜密封的氣膜厚度很薄，一般只有幾微米，而軸的徑動常常多達(dá)幾毫米，為了避免密封軸和浮環(huán)密封表面相接觸進(jìn)而造成密封失效，甚至是結(jié)構(gòu)損壞，應(yīng)合理選用柱面氣膜密封的柔性支撐結(jié)構(gòu)來隔離。自從柱面氣膜密封的概念第一次提出以來，國內(nèi)外的相關(guān)研究都取得了一定的成果[4]。對柱面氣膜密封的研究，國內(nèi)主要始于2007年。馬綱等人[3，5-7]對柱面氣模密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對柱面氣模密封的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)特性都做了一系列研究，得到了性能參數(shù)隨可壓縮數(shù)和氣膜厚度變化的曲線以及動剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)計算式。陳濤、蘇澤輝等[4，8]建立了T型槽模型和無槽模型，分析操作參數(shù)對2種槽型的影響，得出T型槽結(jié)構(gòu)較無槽模型具有更好的動壓效應(yīng)，轉(zhuǎn)速、偏心率等參數(shù)對柱面氣模密封性能的影響比較大。陸俊杰、丁雪興等[9-11]提出了一種新型浮動式柱面微槽氣膜密封模型，研究了表面微坑和微槽對氣膜密封的影響，并對傾斜橢圓微孔進(jìn)行了參數(shù)分析。但是上述文獻(xiàn)針對柔性支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計及相關(guān)參數(shù)的研究較少。本文作者針對波箔結(jié)構(gòu)柔性支撐柱面氣膜密封，利用流固耦合分析方法，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)對支撐結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

1.1 柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)包括浮環(huán)(靜環(huán))、軸套(動環(huán))、轉(zhuǎn)軸以及波箔等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 柔性支承柱面氣膜一字槽密封結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)軸套(動環(huán))跟隨轉(zhuǎn)軸做高速旋轉(zhuǎn)時，因?yàn)槊芊馇粌?nèi)的氣體在高壓側(cè)，所以氣體會被帶進(jìn)一字槽內(nèi)的間隙內(nèi)，氣體因?yàn)橛胁坌徒Y(jié)構(gòu)及偏心結(jié)構(gòu)的存在不斷被壓縮并產(chǎn)生高壓，在浮環(huán)與軸套之間生成一層微米級別剛度較大的氣膜間隙。同時，轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)之間因?yàn)槠牡陌惭b設(shè)計，軸套和浮環(huán)之間形成收斂形楔形間隙，因?yàn)橛行ㄐ伍g隙的存在所以增強(qiáng)了柱面氣膜密封的流體動壓效應(yīng)，使得氣膜的剛度與承載力加強(qiáng)。對于開槽的設(shè)計，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，密封流體沿周向被泵吸入槽內(nèi)，產(chǎn)生動壓效應(yīng)。

在徑向方向，當(dāng)軸產(chǎn)生振動或較大位移時，氣膜推動浮環(huán)。因?yàn)橛腥嵝灾С胁ú拇嬖冢趶较蚍较虍a(chǎn)生緩沖變形以降低轉(zhuǎn)子的跳動引起的徑向位移跳動，防止了密封副發(fā)生摩擦發(fā)熱、乃至“抱軸”的現(xiàn)象。

1.2 柔性支承柱面氣膜密封的工作原理

柔性支撐柱面氣膜密封的原理是：通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)讓軸套和浮環(huán)之間形成動壓密封氣膜；浮環(huán)和波箔之間形成一定的柔性，從而使得密封系統(tǒng)可以有柔性支撐特征，確保在工作過程中達(dá)到穩(wěn)定的氣膜；氣膜和柔性支撐共同作用，可以避免出現(xiàn)浮環(huán)和軸套因表面變形而造成接觸摩擦和磨損，進(jìn)而達(dá)到良好的密封性能。如圖2所示。

圖2 柔性支承柱面氣膜密封工作原理示意

金屬橡膠外環(huán)柔性支承結(jié)構(gòu)如圖3所示，結(jié)構(gòu)材料為金屬橡膠，以此當(dāng)作彈性外環(huán)。一旦氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)開始工作的時候，這三者(氣膜、轉(zhuǎn)子和彈性外環(huán))就會形成一個流固耦合系統(tǒng)。區(qū)別于剛性外環(huán)，彈性外環(huán)對氣膜壓力場的分布具有自動調(diào)節(jié)功能，以盡可能地減少發(fā)生碰磨。在氣膜和彈性外環(huán)雙重作用下可以讓轉(zhuǎn)子形成阻尼，而與此同時彈性外環(huán)也可以和轉(zhuǎn)子的軸頸形成較小的間隙，從而起到節(jié)流功效，可以有效地限制氣體的軸向泄漏。設(shè)計出的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)可以確保非接觸潤滑的穩(wěn)定性，達(dá)到阻尼和密封的共同效用[12]。

圖3 金屬橡膠外環(huán)柔性支承結(jié)構(gòu)示意

柔性支承柱面氣膜密封的設(shè)計原理與箔片氣體軸承具有相似性，只是箔片氣體軸承是利用波箔、平箔結(jié)構(gòu)作為其柔性支承。其主要原理在于轉(zhuǎn)子相對于波箔、平箔結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與箔片內(nèi)壁面的偏心安裝產(chǎn)生動壓效應(yīng)，從而使得轉(zhuǎn)子起浮并承載了施加給軸承的載荷[13]。文中就是以這種箔片式氣體軸承為參考設(shè)計了柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)。

在眾多的非接觸式氣膜密封中，根據(jù)氣體潤滑原理，大致可以分為三類[9]，如圖4所示。

柔性支承柱面氣膜密封基于動壓潤滑的基本理論，因?yàn)閯迎h(huán)與靜環(huán)之間存在偏心率，產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，從而促成微米級的流體動壓氣膜達(dá)到密封介質(zhì)的密封效果。其中間隙產(chǎn)生的氣膜壓力高于入口壓力，從而達(dá)到對泄漏通道的密封作用。另外，形成的氣膜可以有效地對浮環(huán)和轉(zhuǎn)軸進(jìn)行分離，起到動壓潤滑作用，減少表面摩擦。柔性支承也能在軸發(fā)生徑向位移時有效地緩沖氣膜與軸的相對運(yùn)動，使得轉(zhuǎn)軸不會與浮環(huán)造成剛性接觸而破壞密封零件。

2 流固耦合模型建立

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，為盡可能使模擬條件達(dá)到理想狀態(tài)，在對柱面氣膜密封的構(gòu)造及實(shí)際情況進(jìn)行分析前，進(jìn)行以下假設(shè)：

(1)將密封間隙內(nèi)的氣體假定為理想存在的氣體，其與牛頓流體的原理相同，均為連續(xù)的介質(zhì)，且不考慮氣體體積力和慣性力對流場的影響；

(2)流場內(nèi)溫度和流體黏度保持恒定；

(3)柔性支撐波箔、平箔中面的法線與箔彎的曲線垂直，箔彎的曲線變形彎曲后，仍舊保持為直線，并垂直于變形彎曲后的中面，箔內(nèi)不存在剪切力，即γzx=0，γyz=0。

2.2 柔性支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

柔性支撐結(jié)構(gòu)主要由柔性波箔組成，用以緩沖產(chǎn)生徑向位移時的轉(zhuǎn)軸與氣膜及浮環(huán)的偏移，防止動環(huán)與靜環(huán)發(fā)生碰撞而造成失效。其波箔局部模型示意圖如圖5所示，參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

圖5 波箔結(jié)構(gòu)示意

表1 柔性支撐柱面氣模密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 柔性支撐柱面氣模密封操作條件

對于提出的柱面氣膜密封柔性支撐結(jié)構(gòu)，選擇變形量平均值作為評價柔性支撐結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)，并與文獻(xiàn)[13]得到的氣體軸承的量綱一徑向剛度KR進(jìn)行比較。剛度越大則變形量越小，文獻(xiàn)[13]所用的氣體軸承柔性支撐的結(jié)構(gòu)與文中相同，2種模型計算的柔性支撐結(jié)構(gòu)性能變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出，柔性支撐結(jié)構(gòu)的彈性模量和泊松比越大，軸承徑向剛度越大，柔性軸承的變形量越小；2種模型變化趨勢基本相同，模型模擬效果較好。

圖6 不同計算模型的柔性支撐結(jié)構(gòu)性能變化趨勢

2.3 網(wǎng)格劃分

在柔性支撐柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)中，因?yàn)槠慕Y(jié)構(gòu)下的膜厚不均等，所以在槽與間隙的周向都是不均等的氣膜厚度，劃分網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量將直接影響計算的精度和時間。文中采用Ansa網(wǎng)格劃分軟件，對流體區(qū)域和柔性支撐固體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后的固體區(qū)域網(wǎng)格為2 505 360個，網(wǎng)格類型為六面體單元，如圖7所示。

圖7 柔性支撐網(wǎng)格示意

3 流固耦合計算結(jié)果及分析

圖8和圖9是在轉(zhuǎn)速為13 000 r/min、波箔數(shù)量為16時的等效應(yīng)力云圖和總變形量云圖，可以看出正因?yàn)橛胁ú拇嬖冢沟酶…h(huán)與波箔接觸端形成一種柔性接觸，使得其發(fā)生較小變形。在高壓區(qū)，也就是波箔變形較大的地方，壓力分布沿周向有波動，并且最大變形量明顯低于波箔的高度。2個波箔之間的變形較大，并且由軸中向軸端方向增加。由此看來，波箔的變形確實(shí)對柱面氣模密封的性能有很大的影響。

圖8 等效應(yīng)力云圖

圖9 變形量云圖

3.1 平均氣膜厚度對柔性支撐性能的影響

圖10和圖11示出了平均氣膜厚度為10、15、20、25、30 μm時，柔性支撐的等效應(yīng)力最大值、等效應(yīng)力平均值、變形量最大值和變形量平均值的影響曲線，可以看出，隨著平均氣膜厚度增加，柔性支撐的最大等效應(yīng)力不斷減小，平均氣膜厚度從10 μm增大到30 μm時，最大等效應(yīng)力從102.96 MPa減小到69.759 MPa，最大變形量也從1.35×10-2mm減小到8.65×10-3mm，原因是隨著平均氣膜厚度的增加，氣膜間隙內(nèi)的動壓效應(yīng)降低，氣膜浮升力降低，這也是平均氣膜厚度在15 μm之后柔性支撐的等效應(yīng)力和變形量變化趨緩的原因。氣膜厚度20 μm后流體區(qū)域?qū)腆w區(qū)域的作用減小，柔性支撐結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和變形量變化只有微小的改變。

圖10 等效應(yīng)力隨平均氣膜厚度的變化曲線

圖11 變形量隨平均氣膜厚度的變化曲線

3.2 泊松比對柔性支撐性能的影響

由圖12和圖13可以看出，等效應(yīng)力和變形量隨泊松比的變化趨勢基本相同，增大柔性支撐結(jié)構(gòu)的泊松比，材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比增大，造成柔性支撐的最大等效應(yīng)力不斷增大，平均等效應(yīng)力不斷減小，其最大變形量也隨著泊松比的增加而增加。當(dāng)泊松比為0.4的時候，最大等效應(yīng)力為76.175 MPa，變形量最大值為9.18×10-3mm，小于結(jié)構(gòu)參數(shù)波箔高度HB。根據(jù)結(jié)果得出，柔性支撐材料取泊松比為0.15～0.25的材料是比較合適的。

圖12 等效應(yīng)力隨泊松比的變化曲線

圖13 變形量隨泊松比的變化曲線

3.3 彈性模量對柔性支撐性能的影響

由圖14和圖15可知，在轉(zhuǎn)速為13 000 r/min，偏心率相同的情況下，改變材料的彈性模量對等效應(yīng)力影響不大，彈性模量為105 MPa時，等效應(yīng)力最大值為71.397 MPa。但是在彈性模量為105 MPa時有較大的變形，變形量最大值為1.68×10-2mm，并且變形值也未超過波箔高度，對氣膜穩(wěn)定性沒有影響，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。由于彈性模量越低，彈性變形相對越大，剛度越小，材料越易發(fā)生柔性變形。所以，應(yīng)選擇彈性模量值較小的材料作為柔性支撐材料。

圖14 等效應(yīng)力隨彈性模量的變化曲線

圖15 變形量隨彈性模量的變化曲線

3.4 偏心率對柔性支撐性能的影響

圖16和圖17示出了偏心率對等效應(yīng)力最大值、等效應(yīng)力平均值、變形量最大值和變形量平均值的影響曲線。如圖所示，當(dāng)偏心率在0.2～0.6區(qū)間時，等效應(yīng)力和變形量隨著偏心率的增加而明顯增加，如偏心率為0.2時等效應(yīng)力最大值為68.932 MPa,變形量最大值為8.60×10-3mm，偏心率為0.6時等效應(yīng)力最大值為71.397 MPa,變形量最大值為8.82×10-3mm,說明偏心率對等效應(yīng)力和變形量的影響很大，因?yàn)楫?dāng)偏心率增大時，最小氣膜厚度變小，楔形間隙也變小，增強(qiáng)了楔形效應(yīng)及流體動壓效應(yīng)。并且當(dāng)偏心率取值大于0.6時，變形量及等效應(yīng)力變化程度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖16 等效應(yīng)力隨偏心率的變化曲線

圖17 變形量隨偏心率的變化曲線

3.5 波箔數(shù)量對柔性支撐性能的影響

圖18和圖19示出了等效應(yīng)力和變形量隨柔性支撐波箔數(shù)量的變化曲線。從圖18可得出：波箔數(shù)量為8時，等效應(yīng)力最大，為81.886 MPa；隨著波箔數(shù)量增加，等效應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)波箔數(shù)量為30時，等效應(yīng)力最大值下降為66.842 MPa。這是因?yàn)殡S著波箔數(shù)量的增加，波箔平均厚度及有效抵抗氣膜壓力區(qū)域變大。從圖19可得出：變形量也隨著波箔數(shù)量的增加而減少。波箔數(shù)量為8時，變形量最大，為1.76×10-2mm,當(dāng)波箔數(shù)量為12以上時，變形量下降趨勢變緩，波箔數(shù)量為30時，變形量為4.55×10-3mm。根據(jù)分析得出選擇波箔數(shù)量12為最優(yōu)波箔數(shù)量。

圖18 等效應(yīng)力隨波箔數(shù)量的變化曲線

圖19 變形量隨波箔數(shù)量的變化曲線

4 結(jié)論

(1)對于柔性支承柱面氣膜密封單向流固耦合問題運(yùn)用Workbench軟件進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)波箔結(jié)構(gòu)的柔性支撐能夠滿足柱面氣膜密封的正常運(yùn)作，不會造成因?yàn)闅饽偠冗^大而使得浮環(huán)與波箔發(fā)生破壞性變形，且變形量遠(yuǎn)小于波箔最大變形量。

(2)平均氣膜厚度越大，柔性支撐區(qū)域的壓力越小，柔性支撐的等效應(yīng)力和變形量也越小；偏心率的增加使得柔性支撐的等效應(yīng)力和變形量都增大。偏心率及平均氣膜厚度直接影響流體動壓效應(yīng)的大小，動壓效應(yīng)的大小將直接影響柔性支承結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力及變形情況，所以在槽區(qū)柔性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及柔性設(shè)計較大能更好地適應(yīng)氣膜的相關(guān)特性。

(3)增大柔性支撐結(jié)構(gòu)的泊松比，柔性支撐的最大等效應(yīng)力和變形量都不斷增大；彈性模量的增加并不影響柔性支撐結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力，但是會使變形量減小。

(4)增加波箔數(shù)量，柔性支撐的等效應(yīng)力略有減小，變形量顯著減小，即柔性支承結(jié)構(gòu)的承受力及抵抗變形的能力變強(qiáng)，但是波箔數(shù)量過多抵抗變形能力變差，無法實(shí)現(xiàn)柔性支承。當(dāng)波箔數(shù)量為12時，等效應(yīng)力和變形量變化趨勢變平緩，這時柔性支承結(jié)構(gòu)既有較好的強(qiáng)度，也有很好的柔性。