沙廉翔 李雙喜 鄭 嬈 馬鈺虎

(北京化工大學(xué)流體密封技術(shù)研究中心 北京 100029)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，改進(jìn)密封裝置已成為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、效率的重要手段[1-2]。刷式密封被視作替代迷宮密封、篦齒密封的先進(jìn)密封技術(shù)，具有良好的密封性能和可適應(yīng)轉(zhuǎn)子較大徑向跳動(dòng)的特性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面及艦船燃?xì)廨啓C(jī)等透平機(jī)械中[3-6]。傳統(tǒng)的金屬絲刷封，刷絲與轉(zhuǎn)子磨損生熱嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致局部高溫、潤(rùn)滑油結(jié)焦以及刷絲與轉(zhuǎn)子磨損加劇等問(wèn)題。近年來(lái)開(kāi)始使用碳纖維材料制作柔性絲刷封，由于碳纖維良好的柔性和低摩擦性，可以有效緩解摩擦生熱。但柔性絲刷封作為一種刷絲與轉(zhuǎn)子保持大過(guò)盈配合的接觸式密封，刷絲與軸接觸面積較大，刷絲與轉(zhuǎn)子之間也會(huì)產(chǎn)生較多的摩擦熱，對(duì)其工作壽命和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性都有著一定的影響。為提高密封的工作壽命和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，近年，對(duì)刷式密封傳熱性能的研究已逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

HENDRICKS等[7]首先對(duì)刷式密封的摩擦生熱進(jìn)行研究，提出了熱通量的計(jì)算公式。對(duì)刷封傳熱性能研究主要集中在數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究方面。數(shù)值模擬方面，孫丹等人[8]通過(guò)建立刷封的三維實(shí)體模型，對(duì)傳統(tǒng)金屬絲刷封的傳熱機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值研究。HILDEBRANDT等[9]基于各向異性多孔介質(zhì)建立三維計(jì)算模型，數(shù)值分析了影響刷封摩擦生熱和最高溫度的主要因素。邱波等人[10]考慮刷絲變形的影響，建立刷封流固熱耦合計(jì)算模型，研究了工況參數(shù)對(duì)刷封傳熱性能的影響。江生科等[11]通過(guò)數(shù)值分析得到了5種不同背板結(jié)構(gòu)刷封的泄漏率和最高溫度，研究了背板結(jié)構(gòu)對(duì)刷封泄漏特性以及溫度分布的影響。在試驗(yàn)研究方面，黃首清[12]使用纖維熱電偶測(cè)得了刷絲自由端與轉(zhuǎn)子摩擦區(qū)的溫度。吳施志等[13]采用紅外成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了刷封溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，得到了刷封結(jié)構(gòu)的最高溫度和溫度場(chǎng)分布。OUTIRBA和HENDRICK[14]采用基于扭矩傳感器測(cè)量值預(yù)測(cè)刷式密封扭矩的替代方法，研究了刷封的摩擦生熱效應(yīng)。

學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)的金屬絲刷封的溫度場(chǎng)以及傳熱特性進(jìn)行了較為全面的研究，但對(duì)非金屬絲刷封的研究較少，并且很少考慮到油氣兩相的實(shí)際工況。本文作者采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法研究油氣兩相介質(zhì)下柔性絲刷封的溫度場(chǎng)分布和傳熱性能，分析工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳熱性能的影響規(guī)律，為柔性絲刷封的性能提升以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)和參考。

1 柔性絲刷封結(jié)構(gòu)及摩擦生熱原理

柔性絲刷封結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1、圖2所示。柔性絲刷封由前板、背板、環(huán)狀的刷絲骨架和碳纖維刷絲組成，前背板將刷絲骨架和刷絲束夾持在中間，通過(guò)過(guò)盈配合裝配在一起。

圖1 柔性絲刷封結(jié)構(gòu)示意

圖2 柔性絲刷封實(shí)物

傳統(tǒng)刷封的刷絲通常為鈷基和鎳基合金材料，金屬刷絲剛度大、柔性差，與轉(zhuǎn)子的接觸力大[15]。柔性絲刷封的刷絲采用碳纖維材料,具有低摩擦、高導(dǎo)熱的特性以及良好的柔性，與金屬刷絲相比，可有效緩解摩擦生熱和摩擦磨損。

從圖1可以看出，柔性絲刷封的刷絲與轉(zhuǎn)子之間有較大過(guò)盈，保證了柔性絲刷封優(yōu)異的密封性能。刷絲彎折成“L”形，與金屬絲刷封相比，刷絲與轉(zhuǎn)子接觸摩擦區(qū)面積更大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，刷絲與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的摩擦熱，也可能會(huì)對(duì)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行造成影響。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算流程

油氣兩相柔性絲刷封傳熱模型計(jì)算流程如圖3所示。計(jì)算流程包括建立流體域和固體域、網(wǎng)格劃分、設(shè)置多孔介質(zhì)和邊界條件等步驟。

圖3 數(shù)值計(jì)算流程

將刷絲束區(qū)域定義為多孔介質(zhì)，分別設(shè)定徑向段和軸向段的黏阻系數(shù)和慣阻系數(shù)等相應(yīng)參數(shù)。選取Mixture兩相流模型，設(shè)置刷絲、擋板以及密封介質(zhì)的材料屬性，并定義密封介質(zhì)的氣相流和液相流，以模擬油氣兩相的真實(shí)工況。根據(jù)工況條件設(shè)置進(jìn)出口邊界條件，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬流體流經(jīng)刷封的流動(dòng)狀態(tài)。在軸向段刷絲與轉(zhuǎn)子接觸處設(shè)置熱流密度，模擬摩擦生熱。流體和擋板交界面設(shè)置成耦合壁面，得到整個(gè)刷封結(jié)構(gòu)中的溫度分布和出口熱流量，進(jìn)一步分析柔性絲刷封的傳熱機(jī)制和各項(xiàng)參數(shù)對(duì)其傳熱性能的影響規(guī)律。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

柔性絲刷封傳熱模型的計(jì)算域包括擋板區(qū)的固體域、刷絲束區(qū)的多孔介質(zhì)域和上下游的常規(guī)流體域。常規(guī)流體域是潤(rùn)滑油霧和空氣的油氣混相介質(zhì)，視為可壓縮理想氣體，其流動(dòng)遵循連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

刷絲束區(qū)被視作各向異性多孔介質(zhì)，刷絲對(duì)流體會(huì)產(chǎn)生額外的流動(dòng)阻力，為模擬流體在刷絲束區(qū)中的流動(dòng)情況，需在動(dòng)量方程中加上慣性阻力項(xiàng)和黏性阻力項(xiàng)，修正后動(dòng)量方程[16]如下所示：

(1)

式中:Fij是黏性阻力系數(shù)矩陣;Eij為慣性阻力系數(shù)矩陣。

ERGUN[17]推導(dǎo)出了壓差與黏阻系數(shù)和慣阻系數(shù)之間的關(guān)系：

(2)

式中:αi為黏性阻力系數(shù);βi為慣性阻力系數(shù)。

黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式得到，并按照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行反修，經(jīng)驗(yàn)公式[18]如下所示：

(3)

(4)

式中：d為刷絲的直徑，mm；ε為孔隙率，是多孔介質(zhì)中的孔隙所占體積與多孔介質(zhì)總體積的比值。

柔性絲刷封的刷絲與轉(zhuǎn)子為大過(guò)盈配合，刷絲彎折后可分為徑向段和軸向段。刷絲排布狀態(tài)如圖4所示。

圖4 刷絲排布

徑向段的刷絲被前背板夾持于中間，其分布呈緊密排布狀態(tài)，孔隙率[19]可通過(guò)公式(5)得出。

(5)

式中：N為刷絲的排布密度，mm-1；φ為刷絲傾斜角度，(°)；B是刷絲束的厚度，mm。

而軸向段刷絲分散在整個(gè)背板間隙中，實(shí)際的刷絲排布呈疏松狀態(tài)，故軸向段刷絲束的實(shí)際孔隙率與徑向段不同。

兩段刷絲束實(shí)際為同一束刷絲，僅分布空間不同，排布緊密程度不同。根據(jù)孔隙率定義，軸向段刷絲束的孔隙率可根據(jù)徑向段刷絲束的孔隙率得到。軸向段刷絲束孔隙率的計(jì)算公式[20]為

(6)

式中：V1為軸向段刷絲緊密排布時(shí)的體積，m3；V2為軸向段刷絲疏松排布時(shí)的體積，m3；A1為軸向段刷絲緊密排布時(shí)的面積，m2；A2為軸向段刷絲疏松排布時(shí)的面積，m2。

柔性絲刷封系統(tǒng)產(chǎn)熱包括刷絲與轉(zhuǎn)子之間、刷絲與擋板以及刷絲與刷絲之間的摩擦熱和流體的黏性剪切熱。其中刷絲與轉(zhuǎn)子接觸產(chǎn)生的摩擦熱是最主要的，分析時(shí)只考慮刷絲與轉(zhuǎn)子之間的摩擦熱，將其視作一繞轉(zhuǎn)子的環(huán)形熱源。

刷束和轉(zhuǎn)子之間的摩擦熱主要取決于兩者之間的摩擦力和接觸表面的線速度，摩擦力可通過(guò)刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦因數(shù)和接觸力求得，摩擦熱Q的數(shù)學(xué)表達(dá)式[21]為

Q=Ff·v=μ·Fn·v

(7)

式中:Ff為刷絲與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，N;Fn為刷絲與轉(zhuǎn)子之間的接觸力，N;μ為刷絲與轉(zhuǎn)子之間的摩擦因數(shù)；v為接觸表面的線速度,m/s。

引入有效導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)能量方程進(jìn)行修正，修正后的能量方程[21]為

(8)

有效導(dǎo)熱系數(shù)[22]為

keff=εkf+(1-ε)ks

(9)

式中:Es為固體總能，J；Ef為流體的總能，J；Q為熱源項(xiàng)，即刷絲和轉(zhuǎn)子之間的摩擦熱，J；kf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K);ks為刷絲的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2.3 傳熱模型及參數(shù)

柔性絲刷封為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其周向上的各項(xiàng)參數(shù)以及流體流動(dòng)狀態(tài)基本相同，故只建立周向1°范圍的模型。

柔性絲刷封的計(jì)算模型包括固體域和流體域。前板和背板區(qū)域?yàn)楣腆w域，流體域包括刷封進(jìn)出口和在刷封上游(高壓側(cè))和下游(低壓側(cè))建立的常規(guī)流體域以及設(shè)置成多孔介質(zhì)的刷絲束區(qū)。刷封計(jì)算模型如圖5所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。刷絲材料為碳纖維絲，擋板材料為不銹鋼S30408，具體的材料參數(shù)如表2所示。

圖5 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)

表1 計(jì)算模型主要參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分及邊界條件

對(duì)柔性絲刷封模型采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，確定最優(yōu)的網(wǎng)格數(shù)量為462 996。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

對(duì)柔性絲刷封傳熱模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置：

(1)流體進(jìn)、出刷封的邊界分別設(shè)成壓力進(jìn)口和壓力出口邊界，并設(shè)置進(jìn)出口溫度。

(2)垂直于周向的壁面均設(shè)為周期性邊界條件。

(3)與轉(zhuǎn)子接觸的壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)邊界，并在刷絲與轉(zhuǎn)子接觸處設(shè)置熱流密度模擬摩擦生熱。

(4)流體與固體接觸的壁面均設(shè)置為流固耦合壁面。

(5)附加流體區(qū)、固體區(qū)域與腔體內(nèi)壁接觸面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

邊界條件設(shè)置如圖7所示，具體參數(shù)如表3所示。

圖7 邊界條件

表3 邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 柔性絲刷封溫度場(chǎng)分析

計(jì)算得到柔性絲刷封的溫度場(chǎng)如圖8所示，并提取前板和背板壁面的溫度值如圖9所示。

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，最高溫度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子與軸向段刷絲束接觸處，因軸向段刷絲占據(jù)部分出口通道，軸向段刷絲與轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生的熱量先傳至整個(gè)軸向段刷絲束，再向徑向段刷絲束和擋板傳遞，導(dǎo)致出口通道(背板間隙處)存在明顯的局部高溫，軸向段刷絲處的溫度高于徑向段刷絲處。因碳纖維刷絲的高導(dǎo)熱性和刷絲與擋板緊密貼合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱量在刷絲束內(nèi)部以及擋板之間傳導(dǎo)良好，故徑向段刷絲束與擋板溫度基本一致，徑向上無(wú)明顯的溫度梯度。傳統(tǒng)的金屬絲刷封僅有徑向排布的刷絲，在溫度場(chǎng)中，轉(zhuǎn)子與刷絲自由端接觸區(qū)域的溫度最高，隨著離轉(zhuǎn)子距離增加，刷絲溫度迅速下降，在徑向上有明顯的溫度梯度[22]。柔性絲刷封的高溫區(qū)距離刷封出口更近，其熱量更易被泄漏流體帶走。

圖8 溫度分布云圖

從圖9中可知，擋板不斷與流體進(jìn)行對(duì)流換熱，靠近刷封進(jìn)口處，因流體流速高，對(duì)流換熱強(qiáng)，隨著離進(jìn)口通道的距離增加，前擋板壁面溫度反而上升。但當(dāng)距離增加到一定程度后，因距離摩擦熱源較遠(yuǎn)，溫度逐漸降低最終趨于穩(wěn)定。背板壁面的溫度隨著離出口通道距離增加而降低，因大量摩擦熱被泄漏流體攜帶至下游，其溫度整體高于前板壁面。

圖9 擋板外壁面溫度

3.2 工況參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響

文中通過(guò)熱流量和熱泄比來(lái)表征柔性絲刷封的傳熱性能。熱流量為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)密封界面向外傳遞的熱量，用Φ表示。熱泄比是指熱流量與流體質(zhì)量泄漏率的比值，用δw表示。

(10)

式中：Φ為刷封的出口熱流量，W；qm為流體質(zhì)量泄漏率,g/s。

柔性絲刷封的工況參數(shù)主要有壓差Δp、轉(zhuǎn)速n和介質(zhì)油氣比ηog等。下面分別分析各工況參數(shù)對(duì)柔性絲刷封傳熱特性的影響規(guī)律。

3.2.1 壓差Δp

壓差對(duì)傳熱性能的影響如圖10所示?？梢钥闯觯隹跓崃髁颗c壓差成正比，壓差升高50%,使出口熱流量增加57%，這是因壓差增大，泄漏流體增多，被攜帶至刷封外的熱量增加導(dǎo)致的。同時(shí)壓差增大，導(dǎo)致流體流速加快，對(duì)流換熱加強(qiáng)，也會(huì)使熱流量和熱泄比增加。但當(dāng)壓差增加到一定程度時(shí)，流體流速過(guò)快，流體來(lái)不及進(jìn)行充分的對(duì)流換熱，且刷封泄漏量增加，所以在圖10中，當(dāng)壓差超過(guò)0.6 MPa后，熱泄比趨于穩(wěn)定。

圖10 壓差對(duì)傳熱性能的影響

壓差對(duì)柔性絲刷封的傳熱性能影響較為明顯，當(dāng)壓差從0.1 MPa增加為0.6 MPa時(shí)，出口熱流量增加了6倍，因此在大壓差工況下，可以使用多級(jí)刷封密封裝置來(lái)加強(qiáng)其密封性能和隔熱性能。

3.2.2 轉(zhuǎn)速n

圖11示出了轉(zhuǎn)速對(duì)傳熱性能的影響?？芍?，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增加，熱流量呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加50%時(shí)，出口熱流量增幅為12%。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，刷絲與轉(zhuǎn)子接觸表面線速度增大，摩擦生熱加劇，導(dǎo)致出口熱流量上漲。同時(shí)升高轉(zhuǎn)速還會(huì)加強(qiáng)流體沿轉(zhuǎn)子周向的流動(dòng)，提高流體和固體間的換熱效率，這也會(huì)造成出口熱流量增大。

圖11 轉(zhuǎn)速對(duì)傳熱性能的影響

柔性絲刷封出口熱流量隨轉(zhuǎn)速升高而增加，其泄漏率因沿轉(zhuǎn)子周向的流體流動(dòng)加強(qiáng)而降低，故熱泄比也與轉(zhuǎn)速成正比。

3.2.3 介質(zhì)油氣比ηog

圖12示出了介質(zhì)油氣比對(duì)傳熱性能的影響。

圖12 介質(zhì)油氣比對(duì)傳熱性能的影響

由圖12(a)可知，介質(zhì)油氣比增加時(shí)，出口熱流量不斷升高，介質(zhì)油氣比增加50%，出口熱流量升高46%。介質(zhì)油氣比增加，流體中潤(rùn)滑油比重升高，潤(rùn)滑油的熱導(dǎo)率和比熱容與氣體相比均較大，單位泄漏流體攜帶的熱量增多；同時(shí)介質(zhì)油氣比增加還會(huì)導(dǎo)致刷封質(zhì)量泄漏率升高，故出口熱流量不斷升高。高壓差下出口熱流量增多主要由泄漏量增大導(dǎo)致的。

由圖12(b)可知，熱泄比隨介質(zhì)油氣比增加，先迅速升高后趨于穩(wěn)定。介質(zhì)油氣比較低時(shí)，出口熱流量不斷升高是因?yàn)闈?rùn)滑油的熱導(dǎo)率和比熱容較高，單位泄漏流體攜帶的熱量增多。當(dāng)潤(rùn)滑油占比增加到一定程度時(shí)，出口熱流量依然增加主要是由刷封泄漏率升高造成的。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響

柔性絲刷封的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有刷絲束厚度B、刷絲過(guò)盈量ΔS、刷絲直徑d、前板間隙hf和背板間隙hb，下面分別分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳熱性能的影響規(guī)律。

3.3.1 刷絲束厚B

圖13示出了刷絲束厚度對(duì)傳熱性能的影響。

圖13 刷絲束厚度對(duì)傳熱性能的影響

由圖13可知，隨著刷絲束厚度的增加，柔性絲刷封的隔熱性能不斷增強(qiáng)，壓差對(duì)其影響逐漸變小。刷絲厚度超過(guò)0.7 mm后，出口熱流量趨于穩(wěn)定，再增加刷絲厚度，無(wú)法再降低柔性絲刷封的出口熱流量。刷絲厚度B在0.7～0.8 mm范圍內(nèi)，柔性絲刷封的出口熱流量最低，隔熱性最佳，并且壓差對(duì)熱流量的影響程度最低，所以0.7～0.8 mm為最佳刷絲束厚度范圍。

3.3.2 刷絲過(guò)盈量ΔS

刷絲過(guò)盈量對(duì)傳熱性能的影響如圖14所示。由圖14(a)可以看出，刷絲過(guò)盈量增大，熱流量逐漸降低并逐漸趨于穩(wěn)定。壓差越大，整體熱流量越高，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的刷絲過(guò)盈量越大。大壓差下，熱流量的下降速度更快，說(shuō)明在大壓差工況下，出口熱流量對(duì)刷絲過(guò)盈量的變化更敏感。

由圖14(b)可知，增大刷絲過(guò)盈量，也可有效降低熱泄比，低壓差下，其熱泄比更易趨于穩(wěn)定。文中模型刷絲過(guò)盈量ΔS=1.0～1.2 mm為較優(yōu)取值范圍，可以明顯降低出口熱流量，提高刷封的隔熱性能。

圖14 刷絲過(guò)盈量對(duì)傳熱性能的影響

3.3.3 刷絲直徑d

圖15示出了刷絲直徑對(duì)傳熱性能的影響。由圖15(a)可知，采用小絲徑的刷絲可使柔性絲刷封有更優(yōu)的傳熱性能，能降低壓差的不良影響。刷絲直徑增加，使刷絲束孔隙率增大，出口熱流量迅速上升。選擇小絲徑的刷絲，可以大幅提升大壓差工況下柔性絲刷封的隔熱能力，因此在保證刷絲不發(fā)生斷裂的前提下，本模型中刷絲直徑較優(yōu)選取范圍為0.005～0.006 mm。

由圖15(b)可知，熱泄比隨著刷絲直徑的增大呈線性增加，說(shuō)明出口熱流量的增長(zhǎng)速度高于泄漏率的增長(zhǎng)速度，刷絲直徑對(duì)柔性絲刷式密封傳熱性能的影響程度高于對(duì)其密封性能的影響程度。

圖15 刷絲直徑對(duì)傳熱性能的影響

3.3.4 前板間隙hf

圖16示出了前板間隙對(duì)傳熱性能的影響?？芍?，隨著前板間隙的增大，刷封出口熱流量略有增加，前板間隙由0.8 mm增大到1.3 mm時(shí)，出口熱流量增幅僅為10%左右。說(shuō)明前板間隙的變化對(duì)出口熱流量的影響較為微弱。

圖16 前板間隙對(duì)傳熱性能的影響

前板間隙增大，即流體進(jìn)口通道擴(kuò)大，導(dǎo)致刷封泄漏率增加，單位泄漏流體所攜熱量降低，故熱泄比隨前板間隙增大而減小，如圖16(b)所示。為保證刷封整體的隔熱性能，使其出口熱流量最低，在保證轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)不超過(guò)前板間隙的前提下，前板間隙保持在0.8～0.9 mm范圍內(nèi)為較優(yōu)選擇。

3.3.5 背板間隙hb

背板間隙對(duì)傳熱性能影響如圖17所示。由圖17(a)可以看出，背板間隙增加，出口熱流量基本呈線性增長(zhǎng)。在0.1 MPa壓差下，當(dāng)背板間隙由0.8 mm增加到1.3 mm時(shí)，出口熱流量增加了68%，背板間隙對(duì)柔性絲刷封傳熱性能的影響顯著。因此在保證不會(huì)因背板間隙過(guò)小，軸向段刷絲被擠壓，造成摩擦加劇的情況下，應(yīng)盡量減背板間隙，如文中模型背板間隙最好控制在0.8～0.9 mm之間。

背板間隙增加，會(huì)導(dǎo)致柔性絲刷封的質(zhì)量泄漏率增加，且增加背板間隙時(shí)，其泄漏率的增幅更多，故熱泄比不斷減小，如圖17(b)所示。

圖17 背板間隙對(duì)傳熱性能的影響

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)柔性絲刷封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況要求，搭建柔性絲刷封試驗(yàn)系統(tǒng)，包括動(dòng)力系統(tǒng)、主腔體系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖18所示。

圖18 試驗(yàn)系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)提供不同工況下所需的轉(zhuǎn)速。氣路系統(tǒng)提供氣體介質(zhì)，并提供各個(gè)工況下所要求的上游壓力。油路系統(tǒng)提供油霧介質(zhì)，模擬油氣兩相的實(shí)際密封環(huán)境。主腔體系統(tǒng)包括密封腔體、刷封和轉(zhuǎn)子，是試驗(yàn)系統(tǒng)最重要的部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)壓力表和熱電偶對(duì)上游壓力、介質(zhì)溫度、刷封擋板溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)紅外熱成像儀觀測(cè)刷封的溫度分布。

主腔體系統(tǒng)如圖19所示，試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖20所示。

圖19 主腔體系統(tǒng)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)子實(shí)物圖以及由紅外熱成像儀觀測(cè)到的柔性絲刷封溫度場(chǎng)分布如圖21所示。

圖21 轉(zhuǎn)子實(shí)物及溫度場(chǎng)分布

由圖21可以看出，最高溫度出現(xiàn)在刷絲與轉(zhuǎn)子接觸表面，表現(xiàn)為一條明顯的環(huán)形亮帶，因大量摩擦熱傳遞至轉(zhuǎn)子中，整個(gè)轉(zhuǎn)子區(qū)域也呈現(xiàn)為環(huán)形的亮帶。刷封擋板區(qū)域與轉(zhuǎn)子相比，其亮帶顏色較暗，溫度較低。試驗(yàn)觀測(cè)到的刷封溫度場(chǎng)與數(shù)值模擬的結(jié)果相同，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

文中分別在油氣兩相和純氣介質(zhì)中，對(duì)柔性絲刷封進(jìn)行了摩擦生熱試驗(yàn)，得到刷封在2種密封介質(zhì)中的溫升規(guī)律，如圖22所示。

圖22 密封介質(zhì)對(duì)刷封溫度的影響

由圖22可知，在油氣兩相介質(zhì)中工作的柔性絲刷封的擋板溫度，低于密封純氣介質(zhì)的柔性絲刷封的擋板溫度，達(dá)到熱平衡后，兩者溫度相差8%，說(shuō)明油氣兩相介質(zhì)中的潤(rùn)滑油可以提供潤(rùn)滑，改善摩擦條件，降低刷絲與轉(zhuǎn)子之間的摩擦生熱。轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min增加到9 000 r/min，刷封擋板溫度增加了36%，擋板溫度與轉(zhuǎn)速成正比。

對(duì)不同刷絲束厚度的柔性絲刷封進(jìn)行摩擦生熱試驗(yàn)，測(cè)得背板的溫升規(guī)律，結(jié)果如圖23所示。

圖23 刷絲束厚度對(duì)刷封溫度的影響

結(jié)果表明：刷絲束厚度對(duì)柔性絲刷封的擋板溫度影響顯著，刷絲厚度僅增加0.1 mm，擋板溫度的增幅就達(dá)到30%，并且轉(zhuǎn)速越大，其影響越明顯。試驗(yàn)值和計(jì)算值吻合良好，誤差較小，變化趨勢(shì)一致，可證明計(jì)算結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

(1)柔性絲刷絲密封的最高溫度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子與軸向段刷絲束接觸處，軸向段刷絲區(qū)存在局部高溫，徑向段刷絲無(wú)明顯溫度變化，解釋了大過(guò)盈結(jié)構(gòu)柔性絲刷封的傳熱機(jī)制。

(2)壓差、轉(zhuǎn)速和介質(zhì)油氣比升高50%，分別導(dǎo)致刷封出口熱流量增加57%、12%、46%，壓差對(duì)出口熱流量影響最顯著，可設(shè)置多級(jí)刷封密封裝置降低出口熱流量以適應(yīng)高壓差的密封環(huán)境。

(3)刷絲束厚度、刷絲過(guò)盈量增加，刷封出口熱流量均減小，刷絲直徑、前板間隙和背板間隙增大，刷封出口熱流量均增大，其中刷絲直徑對(duì)刷封出口熱流量影響最大。通過(guò)分析得到了刷絲和擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)的較優(yōu)取值范圍，可為其傳熱性能的提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。