不同槽型柱面氣膜密封性能的數值計算研究

趙 星,劉美紅,李 鑫,許冬偉

(昆明理工大學 機電工程學院,昆明 650500)

0 引言

氣膜密封作為一種新的密封形式,在很多方面都發揮了無可替代的作用,其自身具有的泄漏少、能耗低、壽命長、低磨損及可靠性高等優點[1-2],在大型機械工程上解決了很多難題,尤其在飛機空氣循環機、微型燃氣輪機以及渦輪發電機等設備中廣泛應用[3-4]。

目前氣膜密封研究有端面氣膜密封和柱面氣膜密封[5],端面氣膜密封起步早于柱面氣膜密封,端面氣膜密封已經可以在石油化工、機械、航空航天等領域應用[6-7]。目前,面對航空發動機較為苛刻又復雜的工作環境,尤其在高界面滑速、高邊界壓差以及高環境溫度的工作條件下,密封腔內高速旋轉的轉子會發生徑向跳動、熱變形以及密封副磨損,因自身結構的局限性,端面氣膜密封已經無法滿足該工作條件[8]。隨著探求應用氣膜密封的研究與開發工作的展開,科研人員提出了一種新型的氣膜密封,即柱面氣膜密封,相較于端面氣膜密封具有較高的徑向柔性,在航空發動機苛刻又復雜的“三高”的工況下,柱面氣膜密封可以很好地解決轉子系統劇烈振動和熱變形以及較大的徑向跳動和軸向跳動的問題[9]。因此,Mayhew等[10]提出了一種新式密封,即柔順軸密封,研究了柱面氣膜密封系統的性能。Bahukudumbi等[11]等通過對浮環結構進行開槽設計,經研究發現:開槽結構的密封性能優于無槽結構。因此,在密封元件上開槽也具有很大的研究價值[12-13],目前常見的有T型槽、一字槽、螺旋槽[14]等。丁雪興等[15]采用3D光纖激光對旋轉結構表面微刻流線型斜槽、矩形槽和優化后的矩形槽、流線型斜槽,分析柱面氣膜密封泄漏率的前后變化。蘇澤輝等[16]對T型槽進行了數值計算分析,研究了T型槽柱面氣膜密封性能。王婷等[17]進行了一字槽柱面氣膜密封的仿真分析,得到了最優的一字槽的結構參數和工況參數。俞樹榮等[18]分析了螺旋槽柱面氣膜和無槽柱面氣膜的流場仿真結果,并與實驗進行對比驗證,結果表明:螺旋槽氣膜動壓效果更好、泄漏率更小。丁雪興等[19]建立了在考慮滑移邊界條件下的微尺度效應穩態柱面雷諾方程,獲得了密封氣膜壓力的近似解,分析了螺旋槽結構參數密封氣膜壓力的影響。張然等[20]建立了柱面氣膜多頻橢圓渦動靜力與動力特性求解模型,研究了螺旋槽對密封氣體的泵吸效應和流體動壓效應。隨著航空轉子系統日益復雜的工作環境,氣膜密封技術的應用也面臨著巨大的挑戰。

目前,柱面氣膜密封槽型結構類型很多,各種槽型柱面氣膜密封性能優劣還未做過研究對比。本文針對柱面氣膜密封的密封特性,利用CFD仿真分析軟件,對螺旋槽、T型槽以及一字槽柱面氣膜密封3種結構進行數值計算,對在不同操作參數和結構參數下3種槽型結構的浮升力、泄漏率、摩擦轉矩以及氣膜剛度等密封特性參數進行研究分析。

1 理論模型

1.1 幾何模型

圖1為柔性柱面氣膜密封結構示意圖,由轉子、浮環和柔性外支撐結構構成。由于轉子與浮環安裝時存在偏心,因此,轉子和浮環存在收斂楔形間隙。當轉子高速旋轉時,在收斂楔形間隙里會產生動壓效應,形成一定剛度的氣體膜,使得轉子和浮環相互分離,保持非接觸的相對動態平衡狀態,達到氣體潤滑的目的。圖2為3種槽型氣膜幾何結構示意圖。柱面氣膜密封主要結構參數,如表1所示。

表1 柱面氣膜密封主要結構參數

圖1 柔性柱面氣膜密封結構示意圖

圖2 3種槽型的幾何結構示意圖

1.2 密封特性參數

柱面氣膜密封的泄漏率Q、氣膜浮升力F、摩擦力矩M以及氣膜剛度K是評價密封特性的關鍵參數,其計算公式分別如下:

泄漏率Q計算公式為:

(1)

式中:Rj為動環半徑;p為氣膜壓力;θ為密封周向角度;h為平均氣膜厚度。

浮升力F計算公式為:

(2)

式中:Fr為氣膜徑向壓力;Ft為氣膜軸向壓力;F為浮升力合力。

摩擦轉矩M計算公式為:

(3)

式中:η為動力黏度;ω為轉子角速度;氣膜剛度K計算公式為

(4)

1.3 計算模型假設

1) 假設流體氣膜符合牛頓粘性原理的均勻連續的介質;

2) 氣膜與轉子及浮環界面接觸無相對滑移;

3) 忽略流體的慣性力和體積力對流場的影響;

4) 忽略流場內溫度升高對流體粘度的影響;

5) 不考慮擾動對流場密封界面的影響。

1.4 網格劃分及網格無關性驗證

由于氣膜的平均厚度一般為幾十微米,網格精度要求相對較高,仿真結果也會因為網格劃分質量而受影響,因此,本文采用專業網格劃分軟件ANSA處理氣膜網格,ANSA軟件在模型中幾何清理及修復中有很大優勢,處理這種微米尺寸跨度較大的氣膜模型也有著很大的優勢。圖3為柱面氣膜密封的氣膜網格劃分示意圖,采用正交性較好的六面體網格,在氣膜徑向厚度方向網格都劃分為5層,使得仿真結果更加準確。圖3(a)為整體網格,圖3(b)為局部網格。

圖3 柱面氣膜密封結構網格劃分示意圖

圖4所示為3種槽型柱面氣膜密封在壓差為0.2 MPa、轉速為10 000 r/min、偏心率為0.5工況下,不同網格數量對泄漏率的影響。綜合考慮數值仿真模擬時計算效率和工作量的問題,本文采用的螺旋槽網格數量為430 458,T型槽網格數量為476 480,一字槽網格數量為500 800。

圖4 網格獨立性檢驗結果曲線

1.5 邊界條件及求解器設定

進口邊界設置為壓力入口,出口邊界設置為壓力出口,內壁面設置為動壁面Moving-wall,外壁面設置為靜壁面Stationary-wall。選用層流流動模型,求解器采用SIMPLE算法,控制方程采用二階迎風離散格式。柱面氣膜密封工況參數如表2所示。

表2 柱面氣膜密封工況參數

1.6 數值模型驗證

為驗證本文提出的3種槽型柱面氣膜密封數值模型的正確性,在不同壓差下對3種槽型柱面氣膜密封泄漏率進行驗證,并與參考文獻[16]中的數值進行對比,結果如圖5所示。從圖5可以看出,本文仿真模擬計算出的壓差與泄漏率關系圖與文獻中的基本一致,都是上升的趨勢,本文計算出的一字槽、T型槽、螺旋槽柱面氣膜在壓差0.6 MPa時的泄漏率是0.1 MPa時的4.55倍、4.07倍和5.29倍,參考文獻[16]在壓差0.6 MPa時的泄漏率是0.1 MPa時的3.91倍,上升趨勢很接近。由此可見,本文的仿真模擬計算方法具有較好的準確性,可用于后文柱面氣膜密封的數值計算。

圖5 模型數值驗證曲線

2 3種柱面氣膜靜壓分布

圖6是3種槽型的氣膜靜壓分布云圖。從圖6(a)、(b)、(c)中可知,3種槽型結構的工作條件保持一致,當旋轉軸在高速旋轉時,由于旋轉軸與浮環偏心安裝,兩者之間產生楔形間隙,導致間隙中的氣膜周向分布不均,產生了明顯的流體動壓效應,氣體沿軸向從密封間隙的壓力入口流向壓力出口,壓力迅速增大,在最小膜厚處流體動壓效果明顯,出現高壓區。其中頂部最高壓力一字槽為0.574 MPa、T型槽為0.566 MPa、螺旋槽為0.413 MPa,高壓入口的壓力為0.3 MPa,3種槽型結構的最高壓力比入口壓力分別增大約91%、88%、37%。

圖6 3種槽型結構的氣膜靜壓分布云圖

從圖6中3種槽型結構的靜壓分布等值線圖可知,螺旋槽結構受力均勻,較優于一字槽和T型槽槽型結構,這是由于螺旋槽槽型結構的30°螺旋角的設計,在旋轉軸高速旋轉時,可以更好地將氣體帶入密封間隙中,氣體更容易沿軸向方向從壓力入口到壓力出口,每個槽都有受力,氣膜受力更均勻,浮環的受力也更穩定,使得螺旋槽槽型結構密封效果更好。

3 操作參數和結構參數對密封性能的影響

3.1 轉速對密封性能的影響

控制轉速n為5 000～50 000 r/min,保持壓差ΔP為 0.1 MPa,出口壓力Po為0.1 MPa、偏心率e為 0.5,其他結構參數和工況參數條件不變。如圖6所示為一字槽、T型槽和螺旋槽柱面密封的泄漏率、浮升力、摩擦轉矩和氣膜剛度隨轉速的變化規律。

從圖7中可知,隨著轉速逐漸增大,3種槽型結構的泄漏率都處于下降趨勢,一字槽和T型槽槽型結構泄漏率平緩下降,變化量較小,這是由于轉速增大,流體動壓效應增大,而同時一字槽和T型槽的剪切流增強,導致能量消耗上升,受這兩方的影響,一字槽和T型槽的泄露率基本保持不變,而螺旋槽槽型結構泄漏率呈線性下降,轉速為 50 000 r/min時的泄漏率是5 000 r/min時的1/10,這是由于螺旋槽特殊的螺旋槽形隨轉速增大流體動壓效應增強,使得螺旋槽的動壓效應優于其他槽型。另外,從圖7(a)可知,螺旋槽槽型結構的泄漏率明顯少于一字槽和T型槽槽型結構,螺旋槽的密封性能優于一字槽和T型槽。圖7(b)、(c)顯示:隨著轉速逐漸增大,3種槽型結構的浮升力和摩擦轉矩也隨之增大,這是由于隨著轉速的增大,3種槽型結構受楔形效應與動壓效應的協同作用,使浮升力和摩擦轉矩也不斷增加。圖7(d)顯示為隨著轉速逐漸增大,一字槽、T型槽和螺旋槽槽型結構的氣膜剛度下降,這是由于隨著轉速的增加,氣體受槽壩區的影響,氣體進入槽型中受阻增大,即泄漏氣體軸向流速降低導致泄漏率降低,而氣體受阻力增加,導致非壩區氣膜壓力下降,致使氣膜剛度隨之降低。當轉速從30 000 r/min繼續增加時,一字槽結構氣膜剛度開始增強,而當轉速從35 000 r/min繼續增加時,T型槽結構氣膜剛度也開始增強,增幅分別為10.7%和23.9%,這是由于氣體受阻力減小,非壩區壓力增大,使氣膜剛度變大。

圖7 轉速對3種槽型結構密封性能的影響曲線

3.2 壓差對密封性能的影響

控制壓差ΔP為0.1～1 MPa,保持轉速為10 000 r/min,出口壓力Po為0.1 MPa,偏心率e為0.5,其他結構參數和工況參數條件不變。圖8所示為一字槽、T型槽和螺旋槽柱面密封的泄漏率、浮升力、摩擦轉矩和氣膜剛度隨壓差的變化規律。

圖8 壓差對3種槽型結構密封性能的影響曲線

由圖8可知,隨著壓差增大,3種槽型結構的泄漏率、浮升力和氣膜剛度都增大,摩擦轉矩變化量較小。從圖8(a)中可見,壓差從0.1～0.8 MPa,3種槽型結構的泄露率都呈線性增長了15倍左右,符合泄漏率的理論變化,這是由于壓差逐漸增大導致軸向氣流流速增大,氣體所受阻力下降,密封間隙中的壓力也主要以流體動壓力為主,氣體沿著軸向方向流動,使得軸向壓力遠遠大于徑向壓力。壓差從0.8 MPa增大至1 MPa時,3種槽型結構的泄露率增幅變大,這是由于隨著進口壓力增大,在大壓差下,密封腔內的氣體做功能力變強,流體內的氣體流動速度增加,可見螺旋槽槽型結構的泄漏率小于一字槽和T型槽槽型結構,螺旋槽槽型結構密封性能較優。從圖8(b)、(c)可知,隨著壓差逐漸增大,密封間隙中主要以流體動壓為主,流體動壓增大,浮升力也逐漸增大;氣體沿著軸向方向流動,當至槽底時,槽底也逐漸升壓,逐漸達到一個平衡狀態,使得浮環受阻減小,摩擦轉矩變化量也就很小。從圖8(d)中可見,隨著壓差逐漸增大,密封間隙中也主要以流體動壓壓力為主,浮升力逐漸增大,3種槽型結構氣膜剛度也逐漸增大,其中螺旋槽槽型的氣膜剛度增幅最大,在1 MPa時的氣膜剛度是0.1 MPa的7.4倍左右,這是由于螺旋槽的螺旋結構,密封間隙里的氣體被螺旋槽的螺旋帶動下做周向運動,只存在少量氣體在周向流動時發生周向偏移,氣膜剛度隨著壓差的增大,氣膜剛度增幅較大,從圖8(d)中可見,螺旋槽槽型結構的氣膜剛度遠大于一字槽和T型槽槽型結構,螺旋槽槽型結構密封性能較優,密封效果更好。

3.3 偏心率對密封性能的影響

控制偏心率e為0.3～0.7,保持轉速n為 10 000 r/min、壓差ΔP為0.1 MPa,其他結構參數和工況參數不變。圖9所示為一字槽、T型槽和螺旋槽柱面密封的泄漏率、浮升力、摩擦轉矩和氣膜剛度隨偏心率的變化規律。

圖9(a)、(b)顯示:隨著偏心率增加,3種槽型結構的泄漏率和浮升力逐漸增大,變化量較小,這是由于偏心率增大,密封間隙中的氣體膜厚也變小,楔形間隙和動壓效應也增大,流體的流量和流速增大,使得泄漏率和浮升力也增加,可見螺旋槽槽型結構的密封性能優于一字槽和T型槽槽型結構。從圖9(c)可知,隨著偏心率增加,一字槽槽型結構的摩擦轉矩逐漸增大,而一字槽和螺旋槽槽型結構的摩擦轉矩先減小后趨于平緩,這是由于密封腔內楔形間隙變小,流體動壓效應增強,使得摩擦轉矩降低;當偏心率從0.5升至0.6時,螺旋槽型的摩擦轉矩急劇下降,偏心率在0.6的摩擦轉矩是0.5時的1/6,這是由于螺旋槽槽形有更好的泵吸效應和擠壓作用,氣體不斷聚集在槽根部,使得槽根處有更加明顯的動壓效應,摩擦轉矩之后趨于平衡,是由于螺旋槽特殊的槽型形狀,流體穩定在密封間隙中流動,浮環處于一個平衡狀態,使得摩擦轉矩先減小后趨于平緩。由圖9(d)可知,隨著偏心率的增加,密封間隙減小,浮升力逐漸增大,變化量較小,3種槽型結構的氣膜剛度也逐漸增大,密封效果也變得更好。

4 結論

1) 相同的工況下,3種結構柱面密封數值模擬的泄漏率隨偏心率的變化較小,而轉速和壓差導致泄漏率變化明顯。壓差增大會引起柱面氣膜密封泄漏率增大,轉速增大引起3種結構柱面氣膜密封泄漏率發生不同的變化,其中一字槽和T型槽結構柱面氣膜密封的泄漏率變化量較小,螺旋槽結構泄漏率隨轉速增大,呈線性下降。這是由于螺旋槽特殊的螺旋形結構,密封氣體在螺旋結構的作用下,螺旋槽槽型的泵吸效應和擠壓作用優于一字槽和T型槽,動壓效果更好,具有更好的密封性能。

2) 偏心率變化對氣膜密封影響不大,轉速和壓差變化對氣膜密封性能影響較大,當轉速在25 000 r/min左右,壓差在0.5 MPa左右時,螺旋槽柱面氣膜密封的各項密封性能參數均較好。