王 衍, 黃周鑫, 何一鳴, 劉佳利, 王一欽, 劉 威, 金旭成

(江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中，泄漏問題普遍存在，其結(jié)果往往會(huì)造成設(shè)備停車、能源浪費(fèi)、環(huán)境污染甚至危害人身安全，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失.如何防止泄漏一直是各類高端裝備領(lǐng)域的重要課題，相關(guān)密封技術(shù)研究顯得極為重要.最新API-682標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定密封系統(tǒng)須至少連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3年(25 000 h)以上，基于流體動(dòng)壓潤滑的非接觸式流體密封技術(shù)具有零泄漏、低功耗及長壽命等特性，發(fā)展異常迅猛，國內(nèi)外已經(jīng)將高性能非接觸式流體密封作為先進(jìn)密封技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向[2-3]，實(shí)現(xiàn)此類密封的高效穩(wěn)定運(yùn)行一直是高端機(jī)械領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一.

目前，非接觸式流體密封主要包括間隙密封、螺旋密封、迷宮密封和端面密封等.間隙密封憑借零磨損、壽命長、運(yùn)維簡單以及成本低等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于以液壓缸為代表的各類設(shè)備中[4-5]，適用于氣體和液體環(huán)境，但整體泄漏較大.螺旋密封是本世紀(jì)才迅猛發(fā)展起來的一種新型非接觸密封技術(shù)，主要應(yīng)用于水泵、壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)中[6-7]，顧永泉[8]通過分析螺旋密封的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)闡述了其工作原理，并建立了密封封液能力公式。阿達(dá)依·謝爾亞孜旦[9]將螺旋密封等同為4桿機(jī)構(gòu)，建立了密封公式并對(duì)螺旋密封“氣吞”現(xiàn)象及其機(jī)理進(jìn)行了分析。周志安[10]進(jìn)一步修正了密封公式中的泵送速度和縫隙流量，并對(duì)其中的其他參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.

20世紀(jì)80年代，我國民航使用的MK-152發(fā)動(dòng)機(jī)曾因滑油消耗過大而導(dǎo)致提前更換，改用迷宮密封后油耗量直接下降了40.7%[11].90年代美國國家航空航天局(NASA)實(shí)施的AST (Advanced subsonic technology)計(jì)劃表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油率每降低10%，其中2%~3%來自對(duì)迷宮封嚴(yán)技術(shù)的改進(jìn)[12].我國新型戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用也表明，通過合理改善迷宮密封的封嚴(yán)性能，其工作效率可顯著提升10%[13].基于動(dòng)靜壓原理的端面密封技術(shù)[14]具有低磨損、長壽命和零泄漏等特性，主要包括干氣密封、液膜密封及上游泵送密封等.上世紀(jì)60年代，美國國家航空航天局(NASA)、普惠航空(PWA)及通用電氣(GE)已開始探求將干氣密封用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高滑速關(guān)鍵部位[15].單套干氣密封受透氣效應(yīng)影響無法實(shí)現(xiàn)零泄漏，實(shí)際多采用密封組合方式，且密封正常運(yùn)行氣膜厚度僅為2~5 μm[16]，介觀尺度氣膜和系統(tǒng)的穩(wěn)定性不容樂觀；而且，干氣密封的核心技術(shù)[17]在于3~10 μm槽型的精密加工表面粗糙度(Ra)<0.8 μm，此類高效精密制備方法也一直是國內(nèi)技術(shù)短板.上游泵送密封多用于液相介質(zhì)，源自氣體潤滑軸承技術(shù)，1981年，首個(gè)上游泵送密封專利技術(shù)獲批，20世紀(jì)90年代以來，對(duì)這一技術(shù)的研究逐漸增多，形成了系列產(chǎn)品并在工業(yè)中成功應(yīng)用[18].

綜上可知，非接觸式流體密封仍然存在許多不足：(1) 迷宮、干氣、螺旋和間隙密封等密封形式存在直通型透氣效應(yīng)，致使泄漏大及封嚴(yán)效率低；(2) 干氣、離心、螺旋和上游泵送密封等過分依賴主軸轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)停車階段會(huì)失去密封能力；(3) 干氣、上游泵送和螺旋密封等輔助裝置復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差.雖然存在一定的不足，但無固相磨損的非接觸形式仍不失為高工況下先進(jìn)密封技術(shù)的發(fā)展方向，如能進(jìn)一步通過創(chuàng)新流體阻塞機(jī)制，提高封嚴(yán)效率、避免對(duì)轉(zhuǎn)速的依賴，將使非接觸密封技術(shù)煥然一新.

1 新型自沖擊密封的提出

作者所在課題組借鑒平面特斯拉閥結(jié)構(gòu)及其被動(dòng)式流體阻塞原理提出了1種新型自沖擊非接觸式流體密封結(jié)構(gòu)[19-20]，為提高非接觸式流體密封的整體性能提供了1種全新封嚴(yán)形式[21-22]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.可以看出，自沖擊密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡潔，層疊式結(jié)構(gòu)具有極高的級(jí)數(shù)布置效率，主體僅包括外環(huán)、懸柱和內(nèi)環(huán)3個(gè)部分.關(guān)鍵部件懸柱根據(jù)其置于內(nèi)環(huán)或外環(huán)而分別轉(zhuǎn)動(dòng)或靜止，每個(gè)懸柱纏繞一定厚度(依據(jù)具體密封間隙而定)和數(shù)量的窄邊錫箔材料，即可壓入相應(yīng)內(nèi)外環(huán)槽內(nèi)卡緊，實(shí)現(xiàn)有效定位.理論上講，高壓介質(zhì)進(jìn)入這一結(jié)構(gòu)后會(huì)被逐級(jí)節(jié)流降速，當(dāng)級(jí)數(shù)足夠多時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏.課題組研究表明，新型密封具備的自沖擊阻流形式，其節(jié)流效率顯著高于間隙、螺旋和迷宮密封等具有顯著直通效應(yīng)的非接觸密封形式；以密封間距為指標(biāo)，新型密封實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)泄漏時(shí)的密封間距是干氣密封十幾倍甚至幾十倍，且新型密封間距為剛性間隙，穩(wěn)定性更高.可見，自沖擊型密封結(jié)構(gòu)的提出，將衍生出1種密封新理論和原創(chuàng)技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有非接觸密封體系的理論拓展和技術(shù)革新.

Fig.1 New Self-impact Seal Laminated type model圖1 新型自沖擊密封層疊式結(jié)構(gòu)模型

自沖擊密封以其獨(dú)特的特斯拉閥型通道，借助流場(chǎng)中流體的自我沖擊實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到內(nèi)能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到能量耗散實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)的目的.具體來看，其內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，具有沖擊、摩阻和流束收縮等形式.進(jìn)一步揭示自沖擊密封封嚴(yán)機(jī)理是推進(jìn)此類密封進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，本文中研究了進(jìn)口壓強(qiáng)、交錯(cuò)比和密封間隙對(duì)自沖擊密封熵增以及泄漏量的影響規(guī)律，從熱力學(xué)角度對(duì)自沖擊密封流場(chǎng)特性和泄漏特性進(jìn)行了分析，揭示了自沖擊密封封嚴(yán)機(jī)理，為自沖擊密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)際開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù).

2 基于熱力學(xué)效應(yīng)的泄漏量理論分析

2.1 密封熱力學(xué)焓理論

自沖擊密封內(nèi)氣流在進(jìn)出口壓差的作用下從高壓處流向低壓處.密封氣流分析圖如圖2所示，取密封內(nèi)的某段為研究對(duì)象，A和B分別表示氣體經(jīng)過密封時(shí)的某2個(gè)翼狀的相同位置.從熱力學(xué)效應(yīng)角度來考慮，氣體由位置A的狀態(tài)量(Pa，Ta)經(jīng)過流動(dòng)后到達(dá)位置B，其狀態(tài)量變?yōu)?Pb，Tb)，其中Pa和Pb分別表示氣體在A和B位置處的壓力，Ta和Tb分別表示氣體在A和B處的熱力學(xué)溫度.

Fig.2 Sealing air flow analysis diagram圖2 密封氣流分析圖

熱力學(xué)中焓是表征物質(zhì)能量的1個(gè)狀態(tài)量，其反映的是系統(tǒng)所具有的能量.對(duì)密封氣體來說，焓表示了氣體所具有的熱力學(xué)能和它所具有的推動(dòng)功，焓增則表示氣體從狀態(tài)A變?yōu)闋顟B(tài)B吸收的熱量.由于密封腔內(nèi)體積不變，氣體所具有的熱力學(xué)能為

式中，u為單位質(zhì)量氣體的熱力學(xué)能；CV為單位質(zhì)量氣體的定容熱容量，T表示熱力學(xué)溫度.

克拉貝隆方程如下：

式中，Rg=287 J/(kg·mol·K)，為理想氣體常數(shù)，P為壓強(qiáng)(Pa)，V為氣體體積(m3).

密封內(nèi)氣體焓的表達(dá)式可定義為

式中，Cp為單位質(zhì)量氣體的定壓熱容量.

氣體從位置A流動(dòng)到位置B后，焓增為

式中，hb為氣體在位置B的焓，ha為氣體在位置A的焓.

2.2 密封熱力學(xué)熵理論

熵描述的是內(nèi)能與其他形式能量自發(fā)轉(zhuǎn)換的方向和轉(zhuǎn)換完成的程度.對(duì)密封內(nèi)氣體來說，熵增的大小反映了動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能的程度，熵增越少，氣體熱力學(xué)效應(yīng)就越充分，密封封嚴(yán)效果就越好.氣體從位置A流動(dòng)到位置B后，熵增的值為

式中，dq為單位質(zhì)量氣體從位置A到位置B交換的熱量；ds是此過程中單位質(zhì)量氣體的熵增.

由熱力學(xué)第一定律，有

式中，dT表示溫度的微小變化量，dp表示壓力的微小變化量.

結(jié)合式(2)，密封內(nèi)氣流熵增的值為

積分式(7)得到位置A到位置B的熵增：

2.3 考慮熱力學(xué)效應(yīng)的密封泄漏計(jì)算

新型密封的沖擊效應(yīng)實(shí)際也是1種將密封流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能的熱力學(xué)過程，由此可采用Egli經(jīng)驗(yàn)公式[23]計(jì)算自沖擊密封泄漏量，公式如下：

式中，K為泄漏系數(shù)，A為密封間隙處的迎氣面積；Ptot,in為氣體進(jìn)口總壓；Psta,out為氣體出口靜壓；Ttot,in為氣體進(jìn)口總溫；n為自沖擊密封級(jí)數(shù).其中，修正系數(shù)K的確定是密封泄漏公式的關(guān)鍵.

由式(8)可知，在不考慮密封級(jí)間流動(dòng)過程中的微小溫度變化時(shí)，熵增的公式可簡化為

將式(10)代入式(9)式中可得：

式(11)建立了熵增與泄漏量的關(guān)系，而熵增的大小反映了自沖擊密封氣體熱力學(xué)效應(yīng)的程度，因此可以通過此公式直觀地反映氣體熱力學(xué)效應(yīng)與泄漏量的關(guān)系.

3 自沖擊密封數(shù)值求解模型

3.1 基本假設(shè)

特斯拉閥結(jié)構(gòu)適用于低黏度流體[24]，密封介質(zhì)選擇空氣.對(duì)密封流道模型作如下假設(shè)：

(1)新型密封流體為連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)[25]，內(nèi)部為湍流流場(chǎng)；

(2)流場(chǎng)中氣膜的溫度和黏度相等[26]；

(3)氣體分子與潤滑層管道壁面牢固吸附，無相對(duì)滑移；

(4)忽略密封通道變形對(duì)介質(zhì)流動(dòng)的影響；

(5)忽略氣體重力的影響；

(6)密封管道內(nèi)壁表面理論光滑.

3.2 控制方程及求解

采用ANSYS開發(fā)的Fluent軟件對(duì)自沖擊密封進(jìn)行數(shù)值模擬，該結(jié)構(gòu)為三維管流算例.定常不可壓縮流體的控制方程可表示為如下通用形式：

式中，ρ為流體密度； ?為求解變量；u、v和w分別為軸向、徑向和切向流體流動(dòng)速度； Γ?為擴(kuò)散系數(shù)；S?為源項(xiàng).

邊界條件選擇采用強(qiáng)制性壓力邊界條件：入口處，有p=Pin(介質(zhì)壓力)；出口處，有p=Pout(大氣壓).

近壁區(qū)邊界條件采用壁面函數(shù)法，壓力與速度耦合方法為SIMPLE格式，選用k-ω湍流模型，通過中心差分對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)離散，對(duì)流項(xiàng)計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式，連續(xù)方程和動(dòng)量方程的迭代精度設(shè)為10-5，能量方程設(shè)為10-6.研究不同壓比和密封間隙對(duì)自沖擊密封熵增和泄漏量的影響規(guī)律，基本參數(shù)列于表1中.

表1 自沖擊密封幾何參數(shù)Table 1 Self-impact Seal Geometric parameter

3.3 密封模型及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

自沖擊密封的三維泄漏通道是基于平面特斯拉閥設(shè)計(jì)的，單級(jí)尺寸結(jié)構(gòu)如圖3右圖所示，R為回轉(zhuǎn)半徑，L為流距，α為分流角，R、L和α三者存在互相制約的關(guān)系.模型中每個(gè)密封級(jí)尺寸一致，左側(cè)為高壓入口、右側(cè)為大氣側(cè)低壓出口.多個(gè)密封級(jí)串聯(lián)起來共同組成自沖擊密封三維泄漏通道.

Fig.3 Self-impact Seal Dimension drawing圖3 自沖擊密封尺寸圖

采用UG軟件對(duì)自沖擊密封進(jìn)行全尺寸建模，然后導(dǎo)入Fluent meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以通過對(duì)Surface Mesh Controls系列參數(shù)包括Min size、Max size、Growth和Cells Per Gap的整體控制和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分及局部加密，網(wǎng)格劃分效果如圖4所示.

Fig.4 Sealing structure mesh model圖4 密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

圖5所示為網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果，從圖5中可以看出泄漏量隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律，隨著網(wǎng)格數(shù)的增大，泄漏量減小且漸趨穩(wěn)定，在網(wǎng)格數(shù)達(dá)到130萬后趨于穩(wěn)定.因此，后續(xù)計(jì)算中，兼顧計(jì)算精度和效率的要求，文中選取網(wǎng)格數(shù)量均在140萬以上.

Fig.5 Effects of the mesh quantity on leakage圖5 泄漏量隨網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢(shì)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 流場(chǎng)特性

4.1.1 壓力特性

圖6所示為自沖擊密封不同位置對(duì)應(yīng)的壓力云圖，可以看出，內(nèi)部氣體由高壓端入口進(jìn)入后，壓力呈逐級(jí)降低的趨勢(shì)，密封壓降位于兩級(jí)密封間的交匯處.流體間的沖撞、分叉形成的沖擊阻塞效應(yīng)在交匯位置表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，這一位置也是壓力能(動(dòng)能)轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵位置.此外，交匯位置的沖擊還容易形成流體的漩渦和耗散不充分等情形，下文中的速度云圖將更加清晰地顯示這一現(xiàn)象.

Fig.6 Pressure nephogram (Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖6 壓力云圖(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.1.2 速度特性

圖7所示為自沖擊密封的速度矢量分布圖，通過對(duì)沖擊交匯位置進(jìn)行局部放大可以看出，氣流經(jīng)過交匯位置時(shí)沖擊異常劇烈，流體流速經(jīng)沖擊耗能以后整體呈降低趨勢(shì)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散.每個(gè)交匯處的氣體速度分布類似，交匯沖擊位置的流速會(huì)出現(xiàn)短暫提升而后迅速降低，這是由沖擊產(chǎn)生的自收縮效應(yīng)所致.流體經(jīng)過如此逐級(jí)沖擊以后，動(dòng)能逐漸減小，壓差及流速也逐漸降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)流抑漏的封嚴(yán)效果.

Fig.7 Velocity nephogram (Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖7 速度云圖(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.1.3 溫度特性

圖8所示為自沖擊密封的溫度變化云圖，由圖8可以看出，氣流流經(jīng)整個(gè)流道時(shí)的溫度呈逐級(jí)上升趨勢(shì)，溫度變化規(guī)律符合前文中分析的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能作用機(jī)制.溫度的顯著變化位置仍然位于交匯區(qū)域，而在通道內(nèi)溫度變化較小，進(jìn)一步顯示了交匯區(qū)域流體沖擊的激烈程度.由溫度云圖還可以看出，最高溫度位于串聯(lián)層疊式結(jié)構(gòu)的第3列處，原因是氣體歷經(jīng)密封交匯處的層層阻隔，當(dāng)進(jìn)入第4列后，速度降至最低，使得位于翼狀交匯處的沖擊激烈程度減小，產(chǎn)生的熱能減小，溫度也隨之降低.通過溫度云圖的局部放大圖可以看出，越接近內(nèi)環(huán)流道壁面，氣流溫度越高，這是由于內(nèi)環(huán)為旋轉(zhuǎn)部件，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的摩阻效應(yīng)，使得貼近內(nèi)環(huán)壁面的溫度高于其他部位.

Fig.8 Temperature nephogram (Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖8 溫度云圖(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.2 泄漏系數(shù)K的確定

Egli經(jīng)驗(yàn)公式主要基于對(duì)流動(dòng)過程的熱力學(xué)分析、簡化和假設(shè)，再通過某些計(jì)算方法而得到計(jì)算泄漏量，實(shí)際泄漏量則是需要通過“泄漏系數(shù)K”進(jìn)行修正得到[27].目前，“泄漏系數(shù)K”一般都是根據(jù)特定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值確定，本文中通過泄漏經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值仿真，分別計(jì)算自沖擊密封的泄漏量.圖9(a)所示為不同泄漏系數(shù)下經(jīng)驗(yàn)公式與仿真結(jié)果的平均相對(duì)誤差變化曲線，可以看到，當(dāng)泄漏系數(shù)K=0.7時(shí)平均相對(duì)誤差最小，二者計(jì)算結(jié)果最接近，故泄漏系數(shù)K取0.7.圖9(b)所示為泄漏系數(shù)K=0.7時(shí)，基于不同密封級(jí)數(shù)下的泄漏公式和數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線，二者趨勢(shì)符合較好.

Fig.9 Comparison results of average relative error and leakage in different series (h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖9 不同級(jí)數(shù)下平均相對(duì)誤差及泄漏量對(duì)比結(jié)果(h=150 μm; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.3 基于熱力學(xué)效應(yīng)的封嚴(yán)機(jī)理研究

4.3.1 壓力對(duì)密封熱力學(xué)效應(yīng)的影響

圖10所示為壓力變化對(duì)熵焓變化的影響規(guī)律，可以看出，二者都隨壓力的增大而增大，呈線性關(guān)系.熵增(Δs)隨壓力的增大而迅速增大，說明壓力的升高進(jìn)一步提升了密封介質(zhì)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能的效率，熱能的增加也就越大；焓增(Δh)主要反應(yīng)密封間隙內(nèi)溫度的變化情況，隨著壓力的增大焓增呈增加趨勢(shì)，說明密封介質(zhì)的溫度也隨壓力增大呈上升趨勢(shì).可見，壓力的增大對(duì)自沖擊密封的熱力學(xué)效應(yīng)影響顯著，因此，如何在高壓下實(shí)現(xiàn)高效封嚴(yán)將是新型密封的研究重點(diǎn)和方向.

Fig.10 The influence law of pressure change on thermodynamic effect (Z=15; h=150 μm; N=20000 r/min)圖10 壓力變化對(duì)熱力學(xué)效應(yīng)的影響規(guī)律(Z=15;h=150 μm; N=20000 r/min)

4.3.2 密封間距對(duì)密封熱力學(xué)效應(yīng)的影響

新型密封的抑漏形式類似迷宮密封，流體的減壓降速過程都發(fā)生于密封各級(jí)的微尺度間隙中，密封間距的變化會(huì)直接影響微尺度流場(chǎng)中的能量耗散.圖11所示為不同密封間距時(shí)的熵焓變化規(guī)律，可見，密封間距對(duì)熵焓變化有顯著影響，二者變化規(guī)律基本一致，都隨間距的增大而增大，且在密封間距h大于270 μm時(shí)，焓增和熵增隨間距增大而增大的趨勢(shì)明顯放緩.對(duì)于熵值而言，密封間距的增大，增大了內(nèi)部流體自沖擊的能量，使得內(nèi)能轉(zhuǎn)化量增大，整體熵值增加；對(duì)于焓值而言，密封間距的增大同樣使得每次沖擊時(shí)的流體內(nèi)能轉(zhuǎn)化量增大.但需要說明的是，密封間距的增大僅表明流道內(nèi)沖擊的流體量更多、沖擊能量更大、內(nèi)能轉(zhuǎn)化更多，不代表內(nèi)能的轉(zhuǎn)化效率越高，內(nèi)能轉(zhuǎn)化效率還受壓力、流速和介質(zhì)屬性等多因素影響，是新型密封需要系統(tǒng)研究的重要方向.

Fig.11 The influence law of seal spacing change on thermodynamic effect (Z=12; N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)圖11 密封間距變化對(duì)熱力學(xué)效應(yīng)的影響規(guī)律(Z=12;N=20000 r/min; Pin=0.5 MPa)

4.3.3 泄漏特性綜合分析

為系統(tǒng)研究新型密封的泄漏特性，同時(shí)驗(yàn)證理論公式，進(jìn)一步綜合分析了壓力、密封間距和轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響，結(jié)果如圖12所示.可以看出，不同轉(zhuǎn)速和壓力下仿真計(jì)算結(jié)果與泄漏公式符合最好(不同轉(zhuǎn)速下的結(jié)果誤差約為7.59%)，不同密封間距下二者的計(jì)算結(jié)果誤差較大，可能大間距下單純的理論公式未有考慮諸如系數(shù)非線性變化、氣體流態(tài)和渦旋流場(chǎng)等情況，使得與仿真模擬結(jié)果出現(xiàn)較大偏差.由圖12還可以看出，新型密封泄漏量受壓力和密封間距變化影響較大，隨壓力和密封間距的增大近似呈線性增大趨勢(shì).而轉(zhuǎn)速在整個(gè)變化區(qū)間內(nèi)對(duì)泄漏量的影響較小，表明新型密封的封嚴(yán)特性基本不受轉(zhuǎn)速變化的制約，這一特性使得其被用于各類啟停工況頻繁及轉(zhuǎn)速變化較大的場(chǎng)合有顯著優(yōu)勢(shì).

Fig.12 The influence law of various parameters on the leakage characteristics圖12 各類參數(shù)對(duì)泄漏特性的影響規(guī)律

4.3.4 溫度特性綜合分析

根據(jù)前文中的分析，新型密封主要是通過影響密封介質(zhì)的熱力學(xué)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)抑漏的，最終將介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，可見，溫度的變化及演化特性對(duì)新型密封的功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要.圖13所示為密封級(jí)數(shù)Z=12時(shí)，從密封入口(Z=1)至密封出口(Z=12)位置時(shí)各級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度變化情況，可以看出，由入口開始溫度是逐級(jí)升高的，至8~10級(jí)(第3列位置)溫度達(dá)到最高(428 K)，與上述溫度場(chǎng)表現(xiàn)一致.在圖13中所示工況下，以出入口溫度為依據(jù)，經(jīng)計(jì)算，出口溫度(409 K)相對(duì)于入口溫度(318 K)提高了28.6%，可見，降壓手段、散熱問題及材質(zhì)的耐熱性將是新型密封結(jié)構(gòu)實(shí)用化面臨的關(guān)鍵問題.

Fig.13 Temperature change from inlet to outlet levels(Z=12; h=150 μm; N=20000 r/min; P=0.5 MPa)圖13 入口至出口各級(jí)數(shù)溫度變化(Z=12; h=150 μm;N=20000 r/min; P=0.5 MPa)

圖14(a)、(b)、(c)和(d)分別為壓力、轉(zhuǎn)速、密封級(jí)數(shù)和間距變化對(duì)自沖擊密封出口溫度的影響規(guī)律，可以看出，出口溫度隨壓力增大呈顯著上升趨勢(shì)，壓力仍然是影響密封出口溫度的關(guān)鍵因素；轉(zhuǎn)速變化對(duì)出口溫度的影響仍不明顯，一定工況下，超過某一轉(zhuǎn)速時(shí)[圖14(b)所示為N=30000 r/min左右]后出口溫度隨轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)較緩慢的上升趨勢(shì)，這是由于較高轉(zhuǎn)速下，氣體間的剪切摩擦熱以及氣體與旋轉(zhuǎn)部件間的摩擦熱逐漸增大；出口溫度隨密封間距的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在密封間距h=270 μm時(shí)出口溫度最高，說明這一工況下此間距時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化能量最高(能量最高并不意味節(jié)流效率最高，節(jié)流效率與轉(zhuǎn)化率有關(guān))；出口溫度受密封級(jí)數(shù)的影響較為明顯，隨級(jí)數(shù)的增大呈現(xiàn)先降低后平緩的變化趨勢(shì)，當(dāng)級(jí)數(shù)大于20時(shí)出口溫度變化不再明顯，這是由于隨著級(jí)數(shù)的增大，流體于密封通道內(nèi)的耗散過程也增加，熱能分布也越均勻，但級(jí)數(shù)過大會(huì)提高設(shè)計(jì)和加工難度，應(yīng)結(jié)合實(shí)際泄漏要求合理確定密封級(jí)數(shù).

Fig.14 The influence law of various parameters on the temperature characteristics圖14 各類參數(shù)對(duì)溫度特性的影響規(guī)律

4.3.5 自沖擊密封封嚴(yán)機(jī)理分析

根據(jù)上述研究結(jié)果可知，氣體通過自沖擊密封三維通道時(shí)的沖擊效應(yīng)主要包括熱力學(xué)效應(yīng)、流束收縮效應(yīng)和摩阻效應(yīng)3個(gè)效應(yīng)：

(1) 熱力學(xué)效應(yīng).通過速度云圖和溫度云圖可知，氣體通過自沖擊密封三維特斯拉閥流道時(shí)，由于流道結(jié)構(gòu)的特殊性，密封腔內(nèi)流體分成兩部分并最終在每個(gè)密封級(jí)交匯區(qū)內(nèi)形成相互沖擊，通過逐級(jí)不斷地沖擊致使氣體的動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)化為熱能而耗散，進(jìn)而使得溫度升高，熵值增加.流體間的沖撞、分叉形成的沖擊阻塞效應(yīng)在交匯位置表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，這一位置也是壓力能(動(dòng)能)轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵位置，同時(shí)氣流經(jīng)過交匯位置時(shí)沖擊異常劇烈，流體流速經(jīng)沖擊耗能后整體呈降低趨勢(shì)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散，流體間的相互沖擊作用產(chǎn)生的熱力學(xué)效應(yīng)是自沖擊密封封嚴(yán)的主要原因.

(2) 流束收縮效應(yīng).氣體通過自沖擊密封交匯區(qū)時(shí)，由于壓差和沖擊的作用而產(chǎn)生擠壓收縮，被擠壓收縮后的氣體最終流向下一密封級(jí)再次經(jīng)歷相同的沖擊收縮過程.收縮效應(yīng)會(huì)使這一短暫階段內(nèi)的氣體流速升高，溫度和壓力降低，內(nèi)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，具有瞬時(shí)、局部作用的特點(diǎn).整體而言，流束收縮效應(yīng)不利于整個(gè)密封的抑漏實(shí)現(xiàn)，但流速的增大有助于提高下一階段的沖擊阻塞效果.

(3) 摩阻效應(yīng).通過溫度云圖可以看出，高轉(zhuǎn)速下氣體與轉(zhuǎn)子的摩擦導(dǎo)致溫度沿介質(zhì)厚度方向逐次變化，氣流越接近轉(zhuǎn)子流道壁面，溫度越高；氣體在通過自沖擊密封管道時(shí)也會(huì)與靜止壁面(外環(huán)和對(duì)應(yīng)懸柱)產(chǎn)生摩擦，最終也會(huì)形成一定的摩阻效應(yīng)，有利于流道中流體動(dòng)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化.可見，摩阻效應(yīng)能夠使氣體流速減慢，具有一定的阻流、抑漏效果，有利于自沖擊密封封嚴(yán).

5 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)和分析技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)類部件(如齒輪、軸承和密封件等)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化的空間正逐漸消失，新型結(jié)構(gòu)的成功提出則更加困難.自沖擊密封是作者所在課題組首次提出的1種新型密封結(jié)構(gòu)形式，目前已初步完成理論分析和機(jī)理探索，正在向?qū)嵱没A段邁進(jìn)，這一結(jié)構(gòu)自提出以來得到了廣大同行和前輩的高度關(guān)注，本文中進(jìn)一步探究了該結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)機(jī)理，具體結(jié)論包括以下幾個(gè)方面：

a.提出的考慮熱力學(xué)效應(yīng)的密封泄漏量公式，仿真模擬結(jié)果與理論公式計(jì)算結(jié)果符合較好，可以直觀地反映出熱力學(xué)效應(yīng)與泄漏量之間的關(guān)系.

b.熱力學(xué)效應(yīng)是自沖擊密封封嚴(yán)的主要原因，而流束收縮效應(yīng)和摩阻效應(yīng)一定程度上也有利于動(dòng)能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，與現(xiàn)有非接觸密封(間隙、螺旋、迷宮及間隙密封等)相比，經(jīng)自沖擊作用后的流體透氣效應(yīng)基本可以忽略，研究如何進(jìn)一步提高熱力學(xué)效應(yīng)是提升自沖擊密封封嚴(yán)性能的關(guān)鍵.

c.壓力和密封間距增大都會(huì)降低自沖擊密封內(nèi)部的熱力學(xué)效應(yīng)，增大密封泄漏量，如能在大間距下實(shí)現(xiàn)抑漏則會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好.所以研究如何提升高壓及大間距下新型密封的封嚴(yán)效率是自沖擊密封實(shí)用化的關(guān)鍵，可進(jìn)一步結(jié)合降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐高溫材料選擇等思路深入探究.