T型槽柱面气膜密封稳态性能数值分析

2015-05-05苏泽辉刘美红

机械与电子 2015年12期

苏泽辉，刘美红

（昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500）

0 引言

气膜密封是一种先进的非接触式密封技术，具有泄露少、寿命长、能耗低、可靠性高等优点，尤其在航空发动机高界面滑速、高边界压差、高环境温度工作条件下［1］，转子会产生较大的径向跳动和轴向跳动，在此严苛的工作环境下普通密封方法难以做到，有专家提出了柱面气膜密封［2］，柱面气膜密封其独特的柔性结构可以吸收密封轴轴向和周向位移，减少由于转子倾斜和密封环倾斜引起的接触和磨损［3］，柱面气膜密封提出使解决此类问题成为可能，具有广阔的发展前景。

国内外学者对柱面气膜密封做了大量的研究工作，目前主要研究方法有理论分析和数值模拟，二维模拟假设密封气膜在厚度方向保持不变［4］，和实际差别较大，三维数值模拟对三维流场整体建模分析，具有直观、高效等特点，和二维模拟相比更接近现实情况。NASA在一份报告中介绍了不同界面结构的柱面气膜密封技术［5］，其中包括瑞利阶梯槽、T型槽、螺旋槽等结构，用三维软件Fluent，选用无槽模型、T型槽模型、T型槽倒置模型进行研究。

(3)接收6种数字调制信号，实现信号下混频，获得复基带信号。根据获得的复基带信号，分别计算MASK、MPSK、MFSK的二阶、四阶和六阶累积量值，然后再计算三个高阶累积量特征参数fx1、fx2、fx3。

1 柱面气膜密封原理、模型结构及气膜抽取

1.1 原理图示

柱面气膜密封系统主要由柔性支承系统、浮动环和密封轴构成，其原理如图1、图2所示，动环有一定的偏心，在给定的载荷W 和转速ωj下，在密封轴转向的收敛楔形间隙里，气体因粘性摩擦被轴从大口带向小口，产生憋油升压现象［6］。如图1所示周向压力分布，收敛间隙里高压侧气体同时迫使气体本身向密封轴两端运动，即产生端泄Qz，轴向气膜压力分布如图2所示，流体动压效应使密封轴和浮动环相互分离［7］，在动压效应中密封轴和浮动环保持相对动平衡状态。

图1 周向压力分布

图2 轴向压力分布

1.2 气膜抽取

密封间隙只有微米级，不好直接对密封气膜建立模型，用Pro／E建立了无槽、T型槽、T型槽倒置三种浮环结构和密封轴并进行组装，然后在Workbench中抽取气膜模型，如图3、图4所示，分别为T型槽和T型槽倒置模型，将T型倒置故称为T型槽倒置模型，其尺寸大小相同。

从图中对比可以看出T型槽具有最好的流体动压效应，T型槽具有最大的浮升力，浮升力增加很明显；泄漏量最小，相比无槽和T型槽倒置结构泄漏量明显减少，这是因为T性结构坝区比较大，对空气阻碍作用比较强，密封性能最好。仿真结果对比如表1所示。

图3 T型槽气膜模型

图4 T型槽倒置气膜模型

2 Fluent中模拟分析

2.1 网格划分

专业网格划分软件Hypermesh分区划分网格具有很大的优势，无槽模型厚度方向控制3层，用六面体结构化网格直接生成。T型槽模型、T型槽倒置模型需要分区划分，在Hypermesh中将模型分成坝区、槽区、台区，坝区、槽区可以映射，采用六面体网格划分方法，台区用四面体网格划分方法［9］。

无槽模型结构简单，可以直接生成网格。由于T型槽、T型槽倒置模型尺寸比比较大，最小的尺寸只有10μm，最大尺寸58.4mm，网格划分是本课题的难点，为了保证网格质量，需要分区网格划分［8］。此模型浮环和密封轴存在偏心结构，气膜沿圆周方向厚度不是均匀分布的，不满足周期性条件，需要整体划分网格。

2.2 计算分析

2.2.1 边界条件和求解器设定

边界条件设定，进口压力为0.6MPa，出口压力为0.101 6MPa，转速为8 000r／min，介质为空气，工作温度为27℃。静环侧设置为标准壁面条件，无速度滑移，动环侧设置为旋转 Wall，气膜两端面设置为压力入口和压力出口，T型槽模型靠近坝区一侧为压力出口。

Fluent求解器设置时，由于在浮环中微间隙气体流动是层流还是湍流［10］，至今没有定论，采用层流和湍流两种方法对无槽模型进行对比分析，在高转速情况下，层流结果速度矢量图与实际情况不符合，结果表明湍流分析更接近理论结果。

T型槽压力分布如图7所示，从图中可以看出槽、台交界处压力较大，偏心结构使得气膜最薄处压力较大，由于槽根坝区比较大，可以看到在槽根阻塞作用下，流体动压效应特别明显。

图示10为压差对浮升力的影响如图所示，3种结构密封的浮升力都随着压差的增大而增大，T型槽浮环产生的浮升力比无槽、T倒要大。

图5 无槽模型压力云图

小径薄壁管材内表面检测，传统方式是采用目视和聚光灯配合，有异样状况时，则会采用工业视频内窥镜来检查其缺陷状况。我单位最常使用的为IPLEX LX系列，其焦距为 4.0～6.0m，镜头直径为 4—8.5mm，探头软管长度为3.5m，采用USB接口，CD成像技术。光纤视频内窥镜价格昂贵，通过探头拍摄到管子内部情况在液晶显示器上成像，由此可初步判定管材内表面异常情况，为技术人员和质量检验人员体统分析依据。如图1、图2所示。

图6 T型槽倒置压力云图

2.2.2 3种模型案例分析

图7 T型槽压力云图

2017年，为了得到程立生的支持，使其孩子顺利入学琼台师范学院附属幼儿园，肖某于2017年7月份在酒店包厢送给程立生现金1万元。

T型槽倒置压力分布如图6所示，最大压力为0.493MPa以看出槽、台交界处压力较大，最小膜厚处压力较大，这是由于轴颈旋转，流体流向槽根处受到阻塞，压力瞬间增高。

表1 仿真结果对比

3 操作参数对T型槽柱面气膜密封性能的影响

3.1 转速对泄漏量的影响

如图8所示，计算时在压差为0.498 4MPa，气体粘度1.789 4×10－5（N·a／m2）相同的情况下，假设偏心率相同P＝0.3，转速从2 000～12 000r／min，T型槽泄漏量少于T倒置模型，接4 000r／min时，开槽模型泄漏量明显少于无槽模型，这是由于转速升高时流体动压效应增强，并且T型槽密封性能优于T倒置模型。

图8 转速对泄漏量的影响

3.2 压差对泄漏量的影响

在转速8 000r／min，气体粘度为1.789 4×10－5（N·a／m2）情况下，边界压差从0.1MPa到0.6MPa变化时，3种气膜密封性能泄漏量变化如图9所示，压差增大，3种模型泄漏量显著增加，T型槽泄露量相对较少。

生物学学科核心素养是学生在进行生物课程学习中逐渐内化形成的品格和能力，初中生物课程教学中就要有意识地对学生进行核心素养的渗透内化，以下以福建省生物统考试题为例进行分析。

图9 压差对泄漏量的影响

3.3 压差对浮升力的影响

利用Fluent得到了无槽模型、T型槽模型、T型槽倒置模型的压力分布图、速度矢量图。如无槽模型压力分布如图5所示，最大压力为0.116MPa可以看出，由于密封轴偏心旋转和憋油升压作用，具有明显的动压效应，从楔形间隙中，大口向小口运动中，压力快速增大，在最小膜厚处出现一个高压区，另一侧出现一个低压区。

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图10 压差对浮升力的影响

3.4 转速对浮生力的影响

转速对浮升力的影响如图11所示，普通浮环密封产生的浮升合力随转速的增大而增大。螺旋槽浮环密封产生的浮升力分都随着转速的增大而增大。且增大的幅度较普通浮环密封大。当转速较低时，T倒置浮环密封产生的浮升力要比螺旋槽浮环密封的大，当转速达到2 500r／min时，螺旋槽浮环密封产生的浮升合力将超过普通浮环密封，并随着转速的增大，两者差距越来越大。这是由于转速越大，T型槽浮环密封产生动压效应增强。

《试行法》实施13年后的1995年10月30日，第八届全国人大常委会第16次会议审议通过了《中华人民共和国食品卫生法》，这标志着中国食品卫生管理工作正式进入法制化阶段。该法继承了《试行法》的总体框架、主要制度和条款内容，增加了保健食品的相关规定，细化了行政处罚条款，强化了对街头食品和进口食品的管理。