L形槽织构化机械端面密封性能的研究

陈 思，章亦聪，史淑芬，吴玉国，时礼平

(1.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032；2.安徽工业大学工商学院，安徽马鞍山243100)

机械端面密封在航空航天、石油、化工、冶金、机械等领域有着广泛的应用。研究表明[1-4]，通过物理或化学的方法在密封端面制备具一定形状、尺寸及排布形式的微结构，流体进入收敛壁面时由于动能转化为压力势能产生的流体动压使相对运动的两摩擦副表面形成一层流体薄膜，可有效提高端面的密封性能。其中，以螺旋槽为代表的单向槽密封获得了广泛关注[5-7]。Smally[8]研究窄槽理论在螺旋槽轴承中的应用，提出了一种径向中心压力控制方程数值求解的方法用于研究小扰动刚度性能；Wang等[9]采用多目标优化的方法研究螺旋槽机械密封端面的性能，得到一种最佳形状的螺旋槽，在高速条件下螺旋槽的形状对机械密封性能的影响更明显；彭旭东等[10]在单向螺旋槽干气密封的基础上，提出了高速提稳型、高速减漏型、低速提稳型和疏水耐磨型4类型槽。双向槽在正转和逆转时都具有良好的动压效应，避免了因密封环启动、停止时而导致密封失效。纪敬虎等[11]研究了V形凹槽的形状参数对摩擦因数的影响，结果表明：在油润滑条件下能有效减小表面的摩擦因数；载荷较低、速度较大的工况下，织构面的平均摩擦因数比无织构面大大减小。Shahin等[12]对人字槽干气密封的正逆方向旋转进行研究，分析不同结构人字槽的密封性能和承载能力，并对密封件进行改进，以提高其密封性能。王衍[13]利用Fluent软件模拟树型槽机械密封在不同工况下的三维流场，结果表明，树型槽的几何及工况参数会影响端面密封性能，在槽数为10～18，槽深为5～7 μm，角度为25°～35°时具有理想的承载力和泄漏量。John Crane公司开发的50多种槽型密封中，多数双向槽虽具有良好的动压效应和密封性能，但结构较为复杂，开发成本较高[14]。因此结合单向槽良好的“引流”、“泵送”效应和双向槽正反转的特点，提出一种结构相对简单并能双向旋转的L型槽，利用Fluent软件对流场进行数值模拟，分析槽型长宽比、偏转角度、转速、槽深等参数对承载力、泄漏量的影响，以期为密封端面表面织构的设计和应用提供参考。

1 理论模型

1.1 几何建模

机械端面密封主要由动、静环组成。本文在密封动环表面中心设置18个沿周向均匀分布的L型槽，如图1。织构面积率Sp为L型槽的端面面积与动环端面的面积之比。

动静环截面如图2。其中密封间隙为hp，槽深为hg，动静环内、外径分别为rin、rout，动环的转速为n。

机械动环表面L型槽尺寸参数设置如图3。由于动环呈周期性规则分布，取其1/18单元体为研究目标，建立L型槽理论模型。相邻两边的夹角均为90°，槽长为a，宽为b，长宽比为a/b，沿半径方向为初始方向，L型槽的长槽边与半径方向的偏转角度为θ。为考察L型槽的槽深、长宽比、偏转角度、面积率等几何结构参数对密封性能的影响，文中利用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值模拟的方法，探究不同参数下承载力F、泄漏量Q的变化情况。

图3 L型槽尺寸参数Fig.3 Size parameters of L-shape groove

对L型槽进行网格划分，划分结果如图4。文中通过设置二阶迎风格式对流体计算区域的承载力和泄漏量进行求解。设置单元体外径面为压力入口，内径面为压力出口，取压力进出口的平均压力作为定值参数，入口压力pi为0.2 MPa，出口压力po为0.1 MPa，两侧面为周期性边界条件，与静环接触的面为静壁面，与动环接触的面为动壁面。假定流体介质的密度与黏度保持不变，流场的温度不变，流体为不可压缩的牛顿流体，通过Fluent软件“Reports”中的“Fluxes”和“Forces”分别得到1/18单元体的承载力和泄漏量。

1.2 控制方程与数值求解

直角坐标系下的连续性方程为

式中：ρ为流体密度；t为关于时间的自变量；u,v,w分别为流体质点速度在x,y,z方向上的分量。

机械密封端面的流体运动方程为：

对于稳态运动的不可压缩流体，能量方程为：

式中：T为流体温度；H为比焓；k为等熵指数；u为黏度；q为单位体积内输入的热量。

单元体周期性边界为旋转周期边界，满足：

通过Fluent软件对流场进行数值模拟，得到流体静压分布，计算得到密封端面承载力和泄漏量为：

式中：dA为单元体密封端面微面积；h为流体厚度；r为流体质点到圆心的距离。

2 计算结果与分析

2.1 密封端面压力分布

L型槽尺寸及工况参数为：内径rin=12 mm，外径rout=18 mm，膜厚hp=2 μm，槽深hg=1～6 μm，面积率Sp=7.16%，转速n=1 000～10 000 r/min，流体为液态水，密度ρ=998.2 kg/m3，动力黏度η=0.001 003 kg/(m·s)，温度为25℃。L型槽的长宽比与偏转角度的设置如图5。计算结果均为1/18单元体的承载力及泄漏量。

图5 L型槽长宽比及偏转角度示意图Fig.5 Schematic diagram of length width ratio and deflection angle of L-shape groove

基于有限体积法采用Fluent软件对流场进行数值模拟，计算L型槽密封端面的压力分布。设置偏转角度为225°，转速n=8 000 r/min 槽深hg=2 μm，计算长宽比分别为1,1.5,2时L型槽织构密封端面压力分布，结果如图6。由图6可看出，密封端面的压力沿速度方向收敛，在槽根处，由于壁面的阻挡，流体流动的瞬间动能转化为压力势能从而压力急剧增大，产生动压效应，流体在发散区域产生负压。由于产生了“气穴效应”，使得液体膜产生附加的承载能力。

图7为图6中计算域内沿圆周方向中心位置的压力分布。由图7可知，由于槽长宽比的差异，在相同位置处的平均压力并不相等，但不同长宽比下，L型槽织构密封端面压力分布呈近乎相同的变化规律，如沿速度方向的槽的根部，压力均呈最大值，分别为0.4，0.28，0.25 MPa。

图6 L型槽密封端面压力分布Fig.6 Pressure distribution diagram of L-shape groove seal face

2.2 偏转角度对密封性能参数的影响

转速n=8 000 r/min，槽深hg=2 μm条件下，偏转角度θ对机械端面密封承载力的影响如图8。由图8可看出：当偏转角度小于90°或大于270°时，承载力较小；当偏转角度在100°～250°之间时，承载力明显增大，且随着长宽比的增大，承载力依次增大；当偏转角度达到225°时，承载力达到最大值。

偏转角度对泄漏量的影响如图9。由图9可看出：随着偏转角度的逐渐增大，泄漏量呈波浪式的变化规律，每间隔一定的角度，泄漏量就会达到极大值；当长宽比为1、偏转角度为225°时，密封端面的泄漏量最小。由于长宽比的增大及偏转槽线的引流、泵送作用，流体沿着槽边缘产生的泄漏通道增大，进而泄漏量增加，流体进入槽内动能转化为压力势能的比例增大，因此会产生较大的承载力。

图7 L型槽沿转速方向中心截面平均压力Fig.7 Mean pressure of center section along rotational speed direction of L-shape groove

图8 承载力随偏转角度的变化曲线Fig.8 Curves of bearing capacity with deflection angle

图9 泄漏量随偏转角度的变化曲线Fig.9 Curves of leakage rate with deflection angle

2.3 槽深对密封性能的影响

图10 槽深对机械密封性能参数的影响Fig.10 Influence of groove depth on mechanical seal performance parameter

图10为织构偏转角度θ=225°、转速n=8 000 r/min和不同长宽比条件下，织构密封端面密封性能参数随槽深hg的变化曲线。分析图10可知：对于不同长宽比，承载力呈先略微增大后减小的变化规律，且近似存在一个最优的槽深hg=1～3 μm，使得不同长宽比下织构化密封端面能够达到对应的最大承载力；在长宽比为2，1.5时，随着槽深增加，泄漏量呈现先增大后减小的变化规律，且存在一个最优的槽深hg=3 μm，织构具最大泄漏量；而当长宽比为1时，泄漏量几乎不变化。

2.4 转速对密封性能参数的影响

图11为面积率Sp=7.16%、密封间隙hp=2 μm、槽深hg=2 μm转速、n=8 000 r/min、入口压力pi=0.2 MPa、出口压力po=0.1 MPa、偏转角度θ=225°条件下，密封性能参数随着速度的变化曲线。由图11可知：随着密封动环转速的增大，密封端面的承载力线性增大，与此同时，伴随动环转速的提高，流体动压效应增强，压力梯度引起的端面泄漏也呈增大趋势；对比不同长宽比的型槽织构化端面发现，当长宽比为1时，随着转速的增大，端面承载线性增加，而端面的泄漏增加量相当微小，基本保持不变。由此得出：偏转角度为225°、长宽比为1的L型槽不仅可改善密封端面的承载特性，还有利于维持端面泄漏的稳定。

图11 转速对机械密封性能参数的影响Fig.11 Effect of rotating speed on mechanical seal performance parameters

3 结 论

建立L型槽表面织构化密封端面的理论模型，研究槽型长宽比、偏转角度、槽深、转速对其密封性能参数，包括承载力、泄漏量的影响，结论如下：

1)随偏转角度的增大，密封端面的承载力和泄漏量均呈波浪式的变化规律，当偏转角度为225°，3种长宽比的织构化密封端面均具最大承载力，且长宽比为1的织构化端面具最小的泄漏量；

2)槽深在1～6 μm范围内，随着槽深的增大，不同长宽比织构化密封端面的承载力均呈先增大后减小的变化规律，且当槽深为1～3 μm时，端面具最大的承载力；

3)偏转角度为225°、长宽比为1的L型槽有利于改善高速条件下机械端面密封承载能力，同时还能维持端面泄漏的稳定。