螺旋槽對自適應迷宮密封的影響研究*

趙炬穎 陳 義 祝天一 徐乙人 祁志浩 李永健

(1.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京 100084； 2.西安電子科技大學機電工程學院 陜西西安 710071 )

燃油系統是航空發動機各工作系統中最為復雜、重要的系統之一，是發動機控制的核心。燃油泵則是燃油系統的核心，起到給燃燒室供應燃料、驅動多種執行機構的作用，其工作能力和可靠性對航空發動機的工作性能和安全性能具有重要影響。而密封又是其中不可或缺的一環，其中一種較為常見的密封形式就是迷宮(篦齒)密封。

迷宮密封是一種工業上較為常見的非接觸密封形式，它具有結構簡單、方便使用、易于維修等特點，被廣泛應用于航空發動機中，起到了防止工作介質泄漏、提升設備運轉效率的重要作用[1-3]。其密封原理是密封齒與轉軸之間形成了一系列節流間隙和膨脹空腔，當泄漏流體流經節流間隙時，其部分壓力轉換為流體的速度，但由于膨脹空腔的作用，流體的速度無法再轉換為流體的壓力，而是轉換為熱能耗散，從而使得流體壓力逐級降低，達到密封效果[4]。

降低航空發動機的油耗比已成為提高民用、軍用航空發動機效率的關鍵問題。與壓氣機和渦輪的改進相比，密封每減少1%的泄漏，就能增加1%推力，減少0.1%油耗比[5]。此外，NASA的先進亞音速計劃表明，若在幾個關鍵位置使用先進的密封件，就能使發動機的油耗降低2.5%以上[6]。因此，降低迷宮密封的泄漏，并提升其可靠性就成為了提升發動機功耗的關鍵[7]。CHUPP等[8]對葉輪機械中的密封問題進行了概述，提出了其密封可靠性的關鍵在于泄漏系數、流量系數、換熱系數、轉子動力系數。WANG等[9]發現在定常狀態下，密封的下游處總流量會出現一個突變。MICIO等[10]的研究表明，泄漏量隨著間隙的增加而增大，并且該增大趨勢并非是單調的。BOZZI等[11]設計并確定了一種非接觸的密封的幾何形狀，從而確定了低泄漏量對于間隙的依賴性。杜發青等[12]通過正交實驗研究了篦齒幾何參數對于氣體密封的影響，李文凱等[13]在此基礎上進一步進行了數值研究，最終確定密封間隙對氣體密封影響最大，其次是齒數、齒高等篦齒參數。

綜上所述，密封間隙對迷宮密封的泄漏性能起著決定性的作用。但由于燃油泵運轉速度極高，轉子與靜子之間的相對運動速度極大，使用傳統的密封方法實現泵內高壓燃油的密封十分困難。常規迷宮密封泄漏過大，石墨圓周密封磨損太快，這些密封方式都不能滿足高速離心式燃油泵的工作需求，原因在于高速下泵轉子的徑向振動和變形會導致較大幅度的徑向位移，如果密封件與轉子之間間隙過小，就難免會加劇磨損甚至碰摩；如果間距過大，就會加大泄漏量。這一矛盾的根本問題在于，密封間隙無法自發進行調整，進而適應高速轉子的運動和變形。

引入浮環密封就可以一定程度上解決密封間隙自發調整的問題。浮環密封是一種浮動式非接觸密封，可用于航空發動機軸承腔等部位。與傳統的篦齒密封相比，由于浮環密封可以在一定程度上適應密封間隙的改變，并進行自對心，相比迷宮密封，它可以有效降低密封間隙并減少動靜碰摩[14-17]。

浮動迷宮密封在傳統迷宮密封的基礎上，結合了浮環密封的特點，設計并加入了一段能夠依靠流體動壓效應浮起的區域，通過自身的徑向運動來適應轉子的徑向偏移，從而能夠在較小的預設間隙下避免碰摩；同時它還兼顧了迷宮密封的特點，達成小泄漏和低磨損的目標。本文作者在浮動迷宮密封中加入了螺旋槽和直線槽，從而進一步提升密封環的浮動性能，并通過建立浮動迷宮密封的CFD數值分析模型，對其浮動能力、泄漏量進行仿真計算，進一步探究不同開槽方式對于浮動迷宮泄漏特性和浮起性能的影響；同時還搭建有效的驗證試驗平臺，對數值模擬仿真結果進行驗證分析。建立的浮動迷宮密封設計方法以及CFD數值分析模型，對航空動力系統中的迷宮密封性能研究有重要的參考意義。

1 數值計算模型

1.1 浮動迷宮密封結構以及原理

浮動迷宮密封一般由密封環、墊片、波形彈簧、擋圈及殼體等組成[18]，浮動迷宮密封和與之配對的主軸軸套形成主密封面，是一種非接觸式密封，能適應很高的線速度，其基本結構如圖1所示。工作前受重力作用密封環內壁與跑道外壁貼合，兩者之間有極小的間隙，此時密封環圓心與跑道圓心的存在偏心值e，在發動機工作時，左邊氣體流路的壓力于右邊軸承腔，防止滑油泄漏。此時，通過浮動迷宮密封減少氣體泄漏量，從而降低發動機的功率損耗。

圖1 浮動迷宮密封結構示意

正常工作時密封環與跑道表面被剛性流體膜隔開，阻止高壓側氣體向低壓側泄漏，同時密封環端面在波形彈簧及兩側氣體壓差的作用下緊緊貼合在殼體內側，防止氣體沿徑向泄漏[19]。密封環上浮是浮動迷宮密封安全可靠工作的必要條件[20]，浮動迷宮密封只有在上浮狀態下才能保證密封環與旋轉跑道不會產生接觸摩擦或碰撞。

為了改善迷宮密封的浮起性能，文中提出了2種優化設計結構，通過在密封跑道上開槽的方式來改變迷宮密封的氣流特性，一種結構是在迷宮節流段前面增加直線槽，直線槽的尺寸為2 mm×9 mm×0.05 mm，另一種結構是在迷宮節流段前面增加螺旋槽，螺旋槽與主軸軸向呈30o夾角。直線槽與螺旋槽結構示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 直線槽浮動迷宮密封跑道示意

圖3 螺旋槽浮動迷宮密封跑道示意

1.2 浮動迷宮密封數學模型

泄漏氣體為理想可壓縮氣體，描述氣體流場的控制方程為三維的Navier-Stokes方程：

(1)

式中：t為時間;Q為守恒型變量;E、F、G為無黏通量；Ev、Fv、Gv為黏性通量；Re為雷諾數。

(2)

(3)

式中:ρ為密度;u、v、w分別為笛卡爾坐標系中沿x、y、z3個不同方向的速度分量。

黏性應力分量為

(4)

(5)

(6)

τxy=τyx=μ(uy+vx)

(7)

τxz=τzx=μ(uz+wx)

(8)

τyz=τzy=μ(vz+wy)

(9)

理想氣體的狀態方程為

pV=nRT

(10)

式中：p為氣體壓力；V為氣體體積；n為物質的量；R為理想氣體常數；T為溫度。

1.3 浮動迷宮密封數值計算模型

利用三維建模軟件分別對密封環和軸套進行實體模型的創建，然后進行偏心安裝，形成三維實體模型并抽取螺旋槽浮動迷宮密封氣膜模型，氣膜幾何模型如圖4所示。

圖4 數值計算幾何模型

圖4中幾何模型具體尺寸如表1所示。

表1 浮動迷宮密封氣膜模型幾何尺寸 單位:mm

螺旋槽浮動迷宮密封氣膜結構較為復雜，橫縱尺度跨度較大，氣膜整體結構存在偏心，最薄的區域只有幾微米。因為氣膜模型為偏心結構，不滿足周期性模型劃分條件，且螺旋槽為非回轉結構，因此采用六面體網格方法進行劃分。

工質設置為空氣(理想氣體)，采用標準k-ε湍流模型，湍流強度5%，迭代過程采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equation)算法。轉子和靜子壁面設置為絕熱光滑無滑移壁面，靜態工況下偏心率為5%。在密封進口設置總壓，出口設置平均靜壓出口，其余邊界設置為壁面，包括旋轉壁面和靜止壁面。當各方程殘差值達到10-5，進出口流量相差小于0.1%時，認為計算收斂。

工況設置為浮動迷宮密封試驗件上下游壓差分別為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3 MPa，主軸轉速設置為200、500、1 000、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min，計算浮動迷宮密封的泄漏量(即計算穩定后出口的流量)和浮起力。

2 浮動迷宮密封驗證試驗

設計的動迷宮密封試驗臺示意圖如圖5所示。試驗臺主要由試驗臺架、檢測系統、控制系統組成。試驗臺架主要包括電機、減速器、聯軸器、軸承箱、密封試驗腔及其內部主軸、軸套、帶螺旋槽的浮動迷宮密封試驗件組成。控制系統主要是電控箱以及控制臺。檢測系統由一套流量計、壓力計、激光傳感器、扭矩測量儀、轉速測量儀構成。試驗時，由控制系統給定電機轉速，電機經由聯軸器、軸承箱帶動主軸及套在主軸上的軸套旋轉，然后控制系統打開外部氣體壓縮機，使壓縮氣體經由高壓氣體入口流入密封腔中，泄漏氣體從出口流出。試驗過程中，氣體流量、壓力等由流量計、壓力表測得，轉子轉速、扭矩由轉矩測量儀測出，浮動迷宮密封環的位移以及自對心情況由激光位移傳感器測出。由于在壓力恒定后，高壓氣體入口進氣量就為通過浮動迷宮密封的泄漏量，所以此時進氣量與泄漏量相等，可以通過流量計讀數得到泄漏量。

圖5 浮動迷宮密封試驗臺示意

3 結果與分析

3.1 浮動迷宮密封浮起力分析

當轉速為 3 000 r/min時，壓差從0.05 MPa變化到0.3 MPa時，3種密封結構浮起力隨著壓差變化規律如圖6所示。由圖6得：隨著壓差的不斷增加浮起力也在不斷地增加，浮起力在壓差為0.05 MPa到0.3 MPa范圍內近似為線性增長。在0.05 MPa到0.3 MPa范圍內直線槽浮動迷宮密封浮起力最大提升了32.6%，螺旋槽浮動迷宮密封浮起力最大提升了40.8%。在壓差小于0.175 MPa時，直線槽對浮動迷宮密封浮起力的提升作用略大于螺旋槽，當壓差大于0.175 MPa時，此時軸向流螺旋槽的提升作用較為顯著。由此可見，直線槽與螺旋槽對浮動迷宮密封浮起力的影響作用相差不大，但是隨著壓差的逐漸增加，螺旋槽對浮起力的影響相較于直線槽而言會越來越大。

圖6 轉速為3 000 r/min時不同壓差下3種密封結構的浮起力

當浮動迷宮密封入口出口壓差為0.3 MPa，跑道轉速從0變化到3 000 r/min時，浮起力隨著轉速變化規律如圖7所示。可以看出，直線槽與螺旋槽對浮動迷宮密封浮起力的影響作用相差不大；2種開槽結構氣膜模型的浮起力均大于無槽密封結構，直線槽浮動迷宮密封和螺旋槽浮動迷宮密封浮起力相對于無槽結構最大提升分別為32.45%和40.8%。這一研究結果與文獻[21-22]的研究結果相似，在密封跑道的周向設置直線槽和螺旋槽，既避免了在密封環上開槽的加工難度性和減小了密封環的變形，又增加了浮動迷宮密封的浮起性能。螺旋槽隨著旋轉而產生的流體動壓效應與氣膜偏心產生的擠壓效應共同提高了氣膜承載力，從而支撐浮環與密封跑道分離，所以螺旋槽結構對于浮起性能的提升略優于直線槽結構。

圖7 壓差為0.3 MPa時不同轉速下3種密封結構的浮起力

3.2 浮動迷宮密封泄漏特性分析

圖8所示為3種浮動迷宮密封結構沿氣體流動方向的壓力云圖，入口壓力設置為0.3 MPa,轉速設置為0。可以看到，在密封環與密封跑道入口處，壓力變化梯度比較大，然后再緩慢減小；改變軸套的結構，在軸套槽區部分流場壓力會受到影響，直線槽與螺旋槽對壓力分布的影響基本相同。

圖8 3種密封結構軸向壓力云圖

圖9所示為3種浮動迷宮密封結構槽區部分沿周向方向的壓力云圖，入口壓力設置為0.3 MPa,轉速設置為0。可以看出，無槽浮動迷宮結構在周向氣膜壓力均勻分布，而在軸套上切了槽以后，氣膜壓力在周向分布受到槽區的影響，在槽區內部會出現壓力較小的區域，槽區內外出現較小的內外壓差，直線槽與螺旋槽對周向壓力分布影響規律基本相似。

圖9 3種密封結構周向壓力云圖

當轉速為3 000 r/min時，壓差從0.05 MPa變化到0.3 MPa時，3種密封結構泄漏量隨著壓差變化規律如圖10所示。可以看出：泄漏量隨著壓差的增大近似呈線性地增長，在壓差從0.05 MPa增長到0.3 MPa時，泄漏量變化的大致范圍為12.138～43.621 m3/h。對于浮動迷宮密封，流體流動主要由跑道旋轉運動產生的剪切流和進出口產生的壓力梯度導致的軸向流構成。密封的泄漏主要發生在軸向和徑向方向的流量，隨著壓差的不斷增大，流速在不斷地增加，軸向流量同時也在不斷地增加，進而泄漏量在不斷地增大。

從圖10還可以看出，無槽浮動迷宮密封在不同壓差下數值計算得到的泄漏量與試驗結果的最大偏差為4.77%，最小偏差為1.14%。直線槽浮動迷宮密封在不同壓差下數值計算得到的泄漏量與試驗結果的最大偏差為4.78%，最小偏差為0.5%。螺旋槽浮動迷宮密封在不同壓差下數值計算得到的泄漏量與試驗結果的最大偏差為6.74%，最小偏差為2.83%。隨著壓差的增加，直線槽浮動迷宮密封與螺旋槽浮動迷宮密封泄漏量數值計算值最大增幅分別為16.1%和18.7%，試驗值最大增幅分別為14.5%和15.1%，螺旋槽密封結構的泄漏量增幅都略大于直線槽密封結構。主要是因為螺旋槽具有和直線槽相同的軸向長度，螺旋槽結構與軸向有30°的夾角，因此螺旋槽的結構比直線槽具有更大的平均泄漏間隙。同時由于螺旋槽結構有著較好的流體動壓效果[23]，所以隨著壓差的增加，螺旋槽浮動迷宮密封動壓浮起力增加，流體間隙增加，泄漏量便有著更大幅度的增加。

圖10 3種浮動迷宮密封泄漏量隨壓差的變化

當浮動迷宮密封入口出口壓差為0.3 MPa，跑道轉速從0變化到3 000 r/min時，泄漏量隨著轉速變化規律如圖11所示。如圖11所示：泄漏量隨著轉速的增大只是在很小的范圍內波動，轉速從0增長到3 000 r/min時，無槽浮動迷宮密封結構數值計算值與試驗值最大波動范圍分別為0.526%與1.631%，直線槽浮動迷宮密封結構數值計算值與試驗值最大波動范圍分別為0.278%與2.277%，螺旋槽浮動迷宮密封結構數值計算值與試驗值最大波動范圍分別為0.806%與1.568%。相同轉速下，直線槽與螺旋槽結構浮動迷宮密封泄漏量基本相同，但是比無槽浮動迷宮密封結構最大增加了16%，相比于壓差對氣膜泄漏量的影響，轉速的增加對泄漏量的影響很小。隨著轉速的不斷增加，泄漏量的增幅不斷減小，逐漸趨于穩定。主要是由于浮動迷宮密封在剛啟動的時候，開啟力沒有達到一定的值，密封系統沒有穩定下來，泄漏量會波動；當轉速增加到一定的值時，開啟力和閉合力相等，密封系統趨于穩定，所以泄漏量也逐漸穩定下來。

圖11 3種浮動迷宮密封泄漏量隨轉速的變化

4 結論

(1)為了增強浮動迷宮密封的浮起性能，增強浮動迷宮密封環對于轉子徑向跳動的適應性，在其內部跑道設計了2種槽型的密封結構，包括直線槽浮動迷宮密封和螺旋槽迷宮密封；建立了浮動迷宮密封的流場氣膜模型，計算了不同壓差與不同轉速工況下3種密封結構浮起力。結果表明：直線槽與螺旋槽對浮動迷宮密封浮起力影響作用相差不大，但是隨著壓差的逐漸增加，螺旋槽對浮起力的影響相較于直線槽而言會越來越大。

(2)為了驗證數值模型計算的可靠性，進行了不同工況下的密封泄漏特性試驗驗證。結果表明：隨著壓差的增加，泄漏量隨著壓差的增大近似呈線性增長，直線槽浮動迷宮密封與螺旋槽浮動迷宮密封泄漏量數值計算值最大增加分別為16.1%和18.7%，試驗值最大增加分別為14.5%和15.1%；隨著轉速的增加，3種密封結構的泄漏量變化很小，而且直線槽與螺旋槽密封結構泄漏量都大于無槽密封結構。