黃國慶 胡 瓊,2 葛云路 唐曉康 戈燦燦 王 衍

(1.江蘇海洋大學(xué)機(jī)械與海洋工程學(xué)院 江蘇連云港 222005；2.連云港銥銘密封科技有限公司 江蘇連云港 222000;3.中國人民解放軍31619部隊 江蘇鎮(zhèn)江 212421)

隨著現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展，機(jī)械密封的使用環(huán)境正在發(fā)生深刻變化，工況對其的要求愈發(fā)苛刻[1]。發(fā)展機(jī)械密封領(lǐng)域的新理論繼而開發(fā)出適應(yīng)更高標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品日益迫切[2]。目前，螺旋槽干氣密封應(yīng)用最為廣泛，但在實際使用過程中，因為安裝不當(dāng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)差異以及工藝流程不同等因素，造成設(shè)備反向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致開啟力不足，使得密封端面磨損嚴(yán)重。目前，在螺旋槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上已衍生出多種新槽型，以滿足不同工況的需要[3]。黃莉、彭旭東等[4-5]對比研究了雁型槽、普通螺旋槽及帶內(nèi)環(huán)螺旋槽的性能，發(fā)現(xiàn)雁型槽具有更好的密封性能和穩(wěn)定性，且在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓力下更易開啟。為改善普通螺旋槽高速工況下泄漏量大、穩(wěn)定性不足的問題，江錦波等[6]提出仿鳥翼微列螺旋槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)，研究表明該槽型密封性能及穩(wěn)定性均顯著提升，泄漏率降幅可達(dá)10%。

相較于單向槽型結(jié)構(gòu)，雙向旋轉(zhuǎn)密封以具有雙向旋轉(zhuǎn)可防止突發(fā)反轉(zhuǎn)的優(yōu)勢，引起國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。T形槽是目前應(yīng)用最為廣泛的雙向旋轉(zhuǎn)槽型之一。在國內(nèi)，白少先、彭旭東、王衍等人[7-9]就端面氣膜動態(tài)穩(wěn)定性、不同工況下幾何參數(shù)對密封性能的影響以及槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方面展開研究。劉正先和周越[10]通過對比分析雙向燕尾槽氣膜動態(tài)特性，確定了雙向槽比單向槽具有更穩(wěn)定的密封性能。馬媛媛等[11]研究了雙向旋轉(zhuǎn)樹型槽干氣密封的端面氣膜動壓特性，結(jié)果表明其在實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)的同時，具有較好的密封性能。陳志等人[12]利用CFD軟件對梯形槽干氣密封的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了幾何參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律。徐奇超[13]對雙向旋轉(zhuǎn)槽干氣密封端面型槽進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后干氣密封的穩(wěn)態(tài)密封性能提升十分顯著。在國外，LIPSCHITZ[14]于1989年提出了一種徑向直線槽端面結(jié)構(gòu)干氣密封結(jié)構(gòu)。SHELLEF和JOHNSON[15]采用有限元法對徑向直線槽干氣密封的密封特性進(jìn)行了分析，對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化并得到了關(guān)鍵參數(shù)型槽優(yōu)選值范圍。GOLDSWAIN和MARTIN[16]1994年申請了雙向旋轉(zhuǎn)樅樹型槽端面結(jié)構(gòu)的干氣密封專利，并在海洋平臺氣體運輸設(shè)備上得到成功應(yīng)用。BASU[17]對2種簡單槽型的雙向旋轉(zhuǎn)干氣密封性能進(jìn)行了數(shù)值對比研究。GLIENICKE等[18]對T形槽干氣密封膜厚進(jìn)行了實驗測量。SU等[19-20]使用COMSOL模塊對梯形槽干氣密封進(jìn)行了數(shù)值模擬；同時為避免小膜厚導(dǎo)致壁面接觸，提出通過合理設(shè)計槽區(qū)來提高承載性能。

以上研究雖驗證了雙向旋轉(zhuǎn)密封的優(yōu)越性，但與相同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋槽相比，其開啟特性、動壓效應(yīng)仍然不足[11]。因此，構(gòu)建一種密封性能更加優(yōu)越的雙向旋轉(zhuǎn)槽型干氣密封仍是目前研究的重要方向之一。

表面微紋理(或織構(gòu))技術(shù)已在軸承和密封[21-22]領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。目前，研究人員圍繞微尺度下表面織構(gòu)加工展開了研究，其中較為理想的織構(gòu)加工方式為激光加工[23-25]。雖然目前非槽區(qū)表面的加工精度已非常高，表面粗糙度可達(dá)到Ra≤0.2 μm，但開槽后槽底的加工精度難以保證，且表面粗糙度對密封性能的影響不可忽視[26-29]。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究表明，槽區(qū)和非槽區(qū)的表面粗糙度對密封性能有不同影響，其中轉(zhuǎn)速的影響亦不容忽視[30-31]；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至超高速層面時，因微振動產(chǎn)生的擾流現(xiàn)象使得表面織構(gòu)的抑繞作用愈加明顯[32]。近期國內(nèi)外最新研究成果揭示，表面形貌的合理重構(gòu)有利于摩擦性能的改善及密封性能的提高[33-35]。

本文作者基于課題組前期對單向螺旋槽干氣密封的研究[36]，開發(fā)一種槽底具有微紋理設(shè)計的雙向梯形槽干氣密封(Trapezoid-Groove Dry Gas Seal，簡稱Tra-DGS)，結(jié)合氣體微尺度流動原理和激光開槽技術(shù)，從理論角度實現(xiàn)Tra-DGS密封性能的提升。

1 幾何模型

1.1 傳統(tǒng)梯形槽干氣密封

圖1所示為Tra-DGS的端面結(jié)構(gòu),主要特點是靜環(huán)端面圓周方向上均布的梯形槽為近似等腰梯形的對稱結(jié)構(gòu)，使得此類槽型可適用于正反向旋轉(zhuǎn)工況。梯形槽為動壓形成區(qū)域，傳統(tǒng)槽型底部假設(shè)為光滑平面，兩槽區(qū)之間的部分為密封臺區(qū)域，槽根徑與內(nèi)徑間的部分為密封壩區(qū)域。圖中，B為密封環(huán)單個槽外圓周弧長與單個密封臺外圓周弧長之和；B1為單個槽外圓周弧長;β=B1/B為單個槽的弧長比;ro和ri分別為靜環(huán)外半徑和內(nèi)半徑;rg為梯形槽根半徑;γ=(ro-rg)/(ro-ri)為槽寬比;r為槽根圓角半徑;α為槽斜線與該斜線在外圓周交點處射線的夾角，稱為入口方向角。

圖1 Tra-DGS端面幾何結(jié)構(gòu)

1.2 具有定向微紋理的梯形槽干氣密封

基于課題組前期研究[36]，依據(jù)流體型槽形狀及流體力學(xué)原理提出4種形式不同的槽底微紋理，并通過模擬計算確定最優(yōu)形式。其中槽底微紋理的加工方法參見文獻(xiàn)[37]。如圖2(a)—(d)所示，槽底的4種微紋理形式分別為徑向微紋理(RTra-DGS)、梯形微紋理(TTra-DGS)、周向微紋理(CTra-DGS)和V形微紋理(VTra-DGS)。具微紋理槽型的主要特點是槽底沿氣體泵入方向均勻分布具有確定方向的微紋理，研究表明，合理選擇定向微紋理形式，可有效提升微尺度下流體泵送效果及動壓效應(yīng)。如圖2(e)所示為定向微紋理的放大示意圖，通過調(diào)整紋理寬度、間距及深度近似模擬槽底不同的粗糙度。

圖2 具有定向微紋理的Tra-DGS端面幾何結(jié)構(gòu)

4種紋理結(jié)構(gòu)的Tra-DGS的槽型主要參數(shù)列于表1，相對固定參數(shù)列于表2。文中基于表中范圍參數(shù)展開后續(xù)研究。

表1 尺寸參數(shù)與工況條件

表2 相對固定參數(shù)與操作條件

2 計算模型

2.1 控制方程

所謂的控制方程即為流體在流動過程中所遵循的物理規(guī)律。針對不同的流動形式，控制方程亦不同，然而對于任何流動問題，都必須遵循質(zhì)量、動量和能量三大守恒方程。質(zhì)量守恒方程也稱之為連續(xù)方程，而把動量方程稱之為Navier-Stokes方程，簡稱N-S方程。

氣膜流動的N-S運動方程可表示為

根據(jù)流體力學(xué)的基本理論，對干氣密封微尺度流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析[9]，并作如下基本假設(shè)[38-39]：

(1)密封端面間隙內(nèi)氣體連續(xù)流動；

(2)介質(zhì)屬于牛頓黏性流體；

(3)氣體分子與密封端面緊密吸附，無相對滑移；

(4)忽略過程中擾動和振動對介質(zhì)流動的影響；

(5)不計氣體的慣性力和體積力；

(6)端面內(nèi)流體流態(tài)為層流。

2.2 建模及網(wǎng)格劃分

基于定向微紋理三維模型，對Tra-DGS流場特性進(jìn)行CFD仿真模擬。采用UG建模時，由于膜區(qū)、槽區(qū)和定向微紋理區(qū)域僅有微米級高度，與徑向尺寸相差4個數(shù)量級，因此需進(jìn)行軸向尺寸放大，圖3所示為厚度方向放大10 000倍的氣膜三維模型。

圖3 槽區(qū)與定向微紋理軸向放大10 000倍

鑒于梯形槽的對稱性，為提高計算精度和效率，選擇單槽區(qū)為計算域。繪制槽區(qū)、臺區(qū)和壩區(qū)的二維網(wǎng)格并將其作為面源，采用 Pave-Cooper 方法沿軸向拉伸所有面源形成膜區(qū)三維網(wǎng)格模型，然后單獨拉伸槽區(qū)面源形成槽區(qū)三維網(wǎng)格模型，最后單獨拉伸微紋理區(qū)域面源，形成一系列規(guī)則凸起紋理，如此可精確保證網(wǎng)格一致性。膜區(qū)、槽區(qū)和微紋理層數(shù)設(shè)為4層，定向微紋理層數(shù)為3層，生成網(wǎng)格數(shù)約為594 094，隨后導(dǎo)入Fluent中，通過Scale設(shè)置實現(xiàn)模型厚度還原[40]。

2.3 邊界條件設(shè)定

邊界條件的選取對計算結(jié)果的影響很大，準(zhǔn)確地確定邊界條件至關(guān)重要。文中設(shè)定的邊界條件為：槽區(qū)入口壓力邊界(Pressure inlet)，壩區(qū)出口壓力邊界(Pressure outlet)，臺區(qū)兩邊為周期邊界(Γ1和Γ2)，與動環(huán)貼合的面為旋轉(zhuǎn)壁面(Rotating wall)，與靜環(huán)貼合的包含槽區(qū)的所有面為靜止壁面(Static wall)，具體如圖4所示。

圖4 Tra-DGS仿真計算邊界條件

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真方法驗證

為驗證模擬方法的正確性，選擇文獻(xiàn)[12]中的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 文獻(xiàn)[12]開啟力與仿真結(jié)果對比

由表3可以看出，當(dāng)氣膜厚度在2～5 μm之間變化時，文中計算方法所得開啟力與文獻(xiàn)結(jié)果吻合較好，最大誤差在4%以內(nèi)，開啟力整體變化趨勢也基本一致，說明文中方法合理可行。

3.2 槽底微紋理形式對性能影響的對比分析

在3 000～40 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)考察無微紋理和4種不同微紋理的Tra-DGS的開啟力和泄漏率隨轉(zhuǎn)速的變化情況，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，不同微紋理形式下的開啟力隨轉(zhuǎn)速增加而上升，在20 000 r/min后，VTra-DGS開啟力相較其他形式提升愈加明顯；轉(zhuǎn)速較小時，所有形式的Tra-DGS泄漏率隨轉(zhuǎn)速的變化較小，在20 000 r/min之后，出現(xiàn)顯著下降趨勢，即高速旋轉(zhuǎn)時密封性能更優(yōu)。圖5的結(jié)果表明，在所研究范圍內(nèi)VTra-DGS的開啟性能最佳，相較于Tra-DGS開啟力最大提升4.74%，且有轉(zhuǎn)速越大而開啟力提升量越大的趨勢；但VTra-DGS的泄漏率較其他形式Tra-DGS也有所增加，但未超出JB/T 11289-2012標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下有無定向微紋理的密封性能對比(pm=2 MPa,δ=1 μm,hg=3 μm,ε=1 μm)

圖6所示為在0.5～4 MPa壓力范圍內(nèi)無微紋理和4種不同微紋理的Tra-DGS的開啟力和泄漏率隨壓力的變化情況?？梢钥闯?，隨著入口壓力逐步增加，開啟力與泄漏率均呈顯著上升趨勢；另外，雖然V形紋理的開啟能力最佳，但幾種結(jié)構(gòu)的性能大小關(guān)系并未隨介質(zhì)壓力的增大發(fā)生明顯變化，說明微紋理的作用效果主要體現(xiàn)為流體動壓效應(yīng)的增強(qiáng)或減弱。

圖6 不同壓力下有無定向微紋理的密封性能對比(n=20 000 r/min,δ=1 μm,hg=3 μm,ε=1 μm)

圖7所示為VTra-DGS和Tra-DGS距動環(huán)端面3.5 μm的槽區(qū)截面速度矢量對比，結(jié)果顯示：外徑側(cè)介質(zhì)從梯形槽背風(fēng)側(cè)(背著旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)，即圖中左側(cè))進(jìn)入，從迎風(fēng)側(cè)(迎著旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)，即圖中右側(cè))返回，20 000 r/min下的VTra-DGS槽區(qū)高速區(qū)域較Tra-DGS大，且氣體沿V形紋理方向有序返回高壓介質(zhì)側(cè)，說明V形微紋理具有良好的導(dǎo)流作用。

圖7 VTra-DGS和Tra-DGS的槽區(qū)速度矢量對比(n=20 000 r/min,δ=1 μm,hg=3 μm,ε=1 μm)

圖8所示為上述槽區(qū)截面的壓力分布?？芍呔诒筹L(fēng)側(cè)形成低壓區(qū)，在迎風(fēng)側(cè)形成高壓區(qū)。但對比發(fā)現(xiàn)，VTra-DGS的低壓區(qū)(暫定低于2 MPa的區(qū)域)壓力值較Tra-DGS的大，且約占槽區(qū)的2/3，高壓區(qū)壓力值相對較大，但所占面積較小，使得圖5結(jié)果得以闡釋，同時高壓區(qū)分散可有效提升DGS運行穩(wěn)定性。

圖8 VTra-DGS和Tra-DGS的槽區(qū)壓力分布對比(n=20 000 r/min,δ=1 μm,hg=3 μm)

綜上所述，相較于徑向、梯形和周向微紋理，V形微紋理使Tra-DGS呈現(xiàn)出更優(yōu)的性能，且高壓高速時的性能優(yōu)勢更加突出，因此下文將對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

3.3 梯形槽干氣密封性能分析

以開啟力和泄漏率為目標(biāo)參數(shù)，考察流體型槽槽深、微紋理密度、微紋理深度和運行膜厚對VTra-DGS性能的影響，并與Tra-DGS進(jìn)行對比。

3.3.1 流體型槽槽深的影響

圖9所示為不同槽深下VTra-DGS和Tra-DGS的密封性能對比?？芍琕Tra-DGS和Tra-DGS的性能參數(shù)隨槽深變化規(guī)律一致，且峰值所對應(yīng)槽深相同；在1.6～6 μm槽深范圍內(nèi)，VTra-DGS比Tra-DGS具有更大的開啟能力，且最優(yōu)槽深范圍為1.8～3 μm。

圖9 不同槽深下VTra-DGS和Tra-DGS的密封性能對比(pm=2 MPa,n=20 000 r/min,δ=1 μm)

3.3.2 槽底微紋理密度的影響

依據(jù)本課題組前期關(guān)于螺旋槽[33]、圓弧線槽[31]和T形槽[34]干氣密封的研究結(jié)論，需考察微紋理幾何參數(shù)對VTra-DGS性能的影響。

設(shè)定微紋理寬度和間距比值Bm/Cm=1，調(diào)節(jié)Bm(或Cm)尺寸至越小表示微紋理密度越大，反之越小。在Bm=0.3～1 mm范圍內(nèi)的VTra-DGS性能計算結(jié)果如圖10所示。

圖10顯示，開啟力和泄漏率與微紋理密度無明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系?？赡苁且驗闅怏w沿V形紋理流動的通流面積始終相同(Bm/Cm=1)，而黏度較小的空氣流經(jīng)微紋理通道的阻力較小，所以同一轉(zhuǎn)速下，VTra-DGS槽區(qū)所形成的流體動壓值幾乎恒定，沿梯形槽背風(fēng)側(cè)至迎風(fēng)側(cè)返回到密封腔的流量也因此基本相同。

3.3.3 槽底微紋理深度的影響

將VTra-DGS槽底粗糙度高度類比為微紋理深度，考察其對VTra-DGS性能的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同微紋理深度下VTra-DGS的密封性能(pm=2 MPa,n=20 000 r/min,δ=1 μm,hg=3 μm,Cm=Bm=0.3 mm)

由圖11可知，開啟力隨微紋理深度的增加呈先增大后保持穩(wěn)定的趨勢，泄漏率波動不明顯，說明紋理深度對開啟力有顯著影響，激光加工時無需對槽底進(jìn)行深度精細(xì)加工，使紋理深度大于1 μm即可。

綜合圖10和11可知，在加工槽底V形紋理時，只要保證Bm/Cm=1，Bm和Cm可適當(dāng)取較大值，同時ε也可取較大值，如此可降低開槽復(fù)雜度。

3.3.4 運行膜厚對性能的影響

圖12所示為不同膜厚下VTra-DGS和Tra-DGS的密封性能對比，結(jié)果顯示，VTra-DGS和Tra-DGS適用于小膜厚情況，在1～3 μm的氣膜厚度范圍內(nèi)，具有V形微紋理設(shè)計的梯形槽擁有更優(yōu)的開啟性能，且兩者泄漏率在當(dāng)前的氣膜厚度范圍內(nèi)差異較小。

圖12 不同膜厚下VTra-DGS和Tra-DGS的密封性能對比(pm=2 MPa,n=20 000 r/min,hg=3 μm,Cm=Bm=0.3 mm,ε=1 μm)

4 結(jié)論

(1)槽底粗糙度方向顯著影響Tra-DGS的密封性能，徑向、梯形和周向的激光掃描路徑會使氣膜開啟力降低，V形路徑則有利于增大氣膜高壓區(qū)范圍，提升開啟力，增加密封穩(wěn)定性；各結(jié)構(gòu)下的泄漏率均未超出JB/T 11289-2012標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。

(2)轉(zhuǎn)速越大，V形微紋理動壓效應(yīng)越強(qiáng)，VTra-DGS較Tra-DGS的開啟性能越突出，40 000 r/min時的開啟力較后者提升了4.74%；介質(zhì)壓力的變化不影響V形微紋理對密封性能的作用效果。

(3)VTra-DGS更適用于小膜厚、小槽深的情況，膜厚為1 μm時的最優(yōu)槽深為2 μm；微紋理密度對密封性能影響微小，微紋理深度達(dá)到1～2 μm即可獲得優(yōu)異的密封性能，如此降低了激光加工的復(fù)雜程度。

(4)研究結(jié)果驗證了具有定向V形微紋理槽底設(shè)計的梯形槽擁有更加優(yōu)異的密封性能。為干氣密封槽底定向微紋理的優(yōu)化設(shè)計提供新的思路和理論依據(jù)，對進(jìn)一步提升干氣密封性能有積極作用。