張雨，張開林，姚遠

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基于多相流理論高速動車組齒輪箱密封系統(tǒng)分析

張雨，張開林，姚遠

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都，610031)

為了研究高速動車組齒輪箱密封系統(tǒng)的密封機理，分析潤滑油液滴和理想氣體混合介質(zhì)下迷宮密封的密封性能，建立某國產(chǎn)驅(qū)動齒輪箱輸出端密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算模型，采用Euler-Euler雙流體模型，通過數(shù)值模擬得到密封系統(tǒng)的內(nèi)部流場，對比研究轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對混合介質(zhì)下密封內(nèi)部流場的介質(zhì)分布影響，分析潤滑油液滴體積分數(shù)和直徑對密封結(jié)構(gòu)泄漏量的影響。研究結(jié)果表明：密封間隙的直通效應(yīng)、潤滑油液滴分布于靜子腔或轉(zhuǎn)子腔以及空腔所處位置是影響迷宮密封性能的主要因素；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，潤滑油液滴的泄漏量先上升后下降最后趨于穩(wěn)定；潤滑油液滴體積分數(shù)越高，直徑越大，泄漏量越大；當(dāng)液滴體積分數(shù)越高時，液滴體積分數(shù)對泄漏量的影響越小，呈非線性關(guān)系，但泄漏量隨液滴直徑的增大呈近線性關(guān)系增大。

高速齒輪箱；密封系統(tǒng)；多相流；潤滑油；泄漏量

齒輪箱作為高速動車組驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，直接影響列車運行的動力性和安全性。當(dāng)列車時速達到350 km/h時，齒輪箱輸出端轉(zhuǎn)速達6 000 r/min，對齒輪箱密封系統(tǒng)提出較高要求。為保證齒輪箱安全高效的運行，密封系統(tǒng)需要達到雙重密封效果，一方面，防止箱體內(nèi)部潤滑油通過密封系統(tǒng)向外泄漏，造成箱內(nèi)潤滑油含量不足，影響齒輪、軸承等部件的潤滑；另一方面，防止外界液體及灰塵等污染物穿過密封系統(tǒng)進入箱體內(nèi)部，造成潤滑油乳化等現(xiàn)象[1]，因此，對齒輪箱密封系統(tǒng)的研究是保證齒輪箱安全運行、實現(xiàn)齒輪箱國產(chǎn)化的重要課題之一。高速動車組齒輪箱密封系統(tǒng)主要有2種類型：日式齒輪箱密封系統(tǒng)采用非接觸式迷宮密封與接觸式機械密封相結(jié)合的組合式密封方法，歐式齒輪箱密封只采用非接觸式迷宮密封的方法。組合式迷宮密封的密封性能更好，但由于接觸式密封更換周期短，縮短齒輪箱檢修維護周期；非接觸式迷宮密封占用空間小，檢修維護成本低，目前齒輪箱密封系統(tǒng)國產(chǎn)化研究重點為提高迷宮密封的密封性能。典型的迷宮密封形式有直通式[2]、錯齒式[3]、蜂窩式[4?5]、刷式[6?7]等，在工程實踐應(yīng)用中，一般采用典型結(jié)構(gòu)的變形體或多種典型結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用，在有限的結(jié)構(gòu)空間中保證迷宮密封的密封性能，如軸向雙邊直通式[8]、高低齒式[9?10]以及徑向?qū)Σ迨矫詫m密 封[11]。密封結(jié)構(gòu)的主要研究方向是典型密封結(jié)構(gòu)的密封機理以及影響密封性能的因素分析，曹麗華等[12]研究了葉頂間隙對汽輪機高低齒式迷宮密封性能的影響。杜發(fā)青等[13]通過正交試驗研究了齒形幾何參數(shù)對航空渦輪發(fā)動機直通篦齒式迷宮密封泄漏量的影響。BONDARENKO等[14?15]運用數(shù)值模擬和試驗分析了轉(zhuǎn)速、壓力比等因素對直通式迷宮密封的影響。WANG等[3]分析了錯齒式迷宮密封的密封機理和運用條件。SUBRAMANIAN等[16]分析了熱效應(yīng)與旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對迷宮密封結(jié)構(gòu)變形以及密封性能的影響。對于迷宮密封系統(tǒng)的研究，吳特等[17]以高速動車組某國產(chǎn)化驅(qū)動齒輪箱小齒輪電機端的密封系統(tǒng)為研究對象，分析了理想氣體為介質(zhì)時密封系統(tǒng)的密封性能和影響因素。但齒輪箱設(shè)計密封系統(tǒng)的主要目的是減少潤滑油泄漏、運行穩(wěn)定狀態(tài)下齒輪箱內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的齒輪攪拌、打碎潤滑油液滴；同時，內(nèi)部的高溫高壓環(huán)境使得箱內(nèi)介質(zhì)為微米級潤滑油小液滴、潤滑油蒸汽和理想氣體的混合物。分析迷宮密封的密封機理和密封性能時，應(yīng)考慮以潤滑油小液滴、潤滑油蒸汽和理想氣體為研究介質(zhì)，從混合介質(zhì)角度評估密封結(jié)構(gòu)對特定介質(zhì)的密封性能。張雨等[18]從油霧與理想氣體混合介質(zhì)角度分析齒輪箱徑向迷宮密封，研究了混合介質(zhì)下迷宮密封的密封機理。兩相流模擬模型主要分為歐拉?拉格朗日模型和歐拉雙流體模型，Euler-Euler雙流體模型采用形式統(tǒng)一的模型方程，計算量相對較小，因此，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程實踐模型，該方法更具有實用 性[19]。本文作者采用Euler-Euler雙流體模型，忽略潤滑油蒸汽的影響，以潤滑油小液滴和理想氣體混合物為研究介質(zhì)，分析高速動車組齒輪箱密封系統(tǒng)的密封機理以及轉(zhuǎn)速、潤滑油參數(shù)等因素對密封性能的影響，以便為國產(chǎn)化齒輪箱密封結(jié)構(gòu)設(shè)計以及性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 計算模型與數(shù)值仿真方法

1.1 密封結(jié)構(gòu)

圖1所示為驅(qū)動齒輪箱輸出端密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。密封系統(tǒng)由直通式和錯齒式迷宮密封組合變形而來，由入口至出口，轉(zhuǎn)子與靜子結(jié)構(gòu)構(gòu)成4道空腔，分別記為Ⅰ腔、Ⅱ腔、Ⅲ腔、Ⅳ腔。其中，Ⅰ腔和Ⅱ腔參考雙邊直通式迷宮密封結(jié)構(gòu)，分別設(shè)有明顯的轉(zhuǎn)子腔和靜子腔，且Ⅰ腔中設(shè)有甩油環(huán)結(jié)構(gòu)。Ⅲ腔參考錯齒式迷宮密封，轉(zhuǎn)子和靜子形成較大的空腔，Ⅳ腔為單邊直通式迷宮密封，空腔設(shè)置于靜子結(jié)構(gòu)區(qū)。

圖1 驅(qū)動齒輪箱輸出端密封結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值計算

當(dāng)齒輪箱迷宮密封系統(tǒng)入口壓力、出口壓力與泄漏量穩(wěn)定時，內(nèi)部流場可以看作三維定常的穩(wěn)態(tài)流動。迷宮密封的入口邊界設(shè)為壓力入口，出口邊界設(shè)為壓力出口，出口壓力為環(huán)境背壓，進出口壓力比設(shè)為1.5，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0~10 000 r/min，轉(zhuǎn)子半徑設(shè)為50 mm。齒輪箱采用75W_90潤滑油。進行數(shù)值分析時，采用Eluer-Eluer兩相流模型，以理想氣體為主相，微米級潤滑油小液滴為次相，兩相均無相變反應(yīng)。潤滑小油液滴直徑取5 μm，密度取816 kg/m3，運動黏度取 16.6 mm2/s，混合相中潤滑油體積分數(shù)為10%。

網(wǎng)格密度影響仿真計算的結(jié)果，設(shè)置合適尺寸的網(wǎng)格是仿真計算的前提。齒輪箱迷宮密封系統(tǒng)幾何模型形狀規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，對密封間隙以及甩油環(huán)等區(qū)域進行局部加密。隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，密封泄漏量增加，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量進一步增加時，泄漏量受網(wǎng)格數(shù)量的影響較小。綜合考慮計算精度和計算效率，選擇網(wǎng)格數(shù)為83萬的離散模型進行后續(xù)分析研究，圖2所示為密封系統(tǒng)的截面網(wǎng)格模型圖。

圖2 密封系統(tǒng)中截面CFD網(wǎng)格模型

1.3 數(shù)值方法驗證

目前缺乏多相混合介質(zhì)下迷宮密封的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，本文參考經(jīng)典迷宮密封試驗，以理想氣體為研究介質(zhì)，對比WITTIG[20]的試驗結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)，論證仿真方法的可行性和準(zhǔn)確性。

采用密封系數(shù)D評估密封性能：

式中：means為試驗或數(shù)值計算得到的理想氣體泄漏量；id為等熵理論計算得到的理想氣體泄漏量；id為泄漏參數(shù)；為間隙面積；0和n分別為入口壓力和出口壓力；0為初始溫度；為理想氣體比定壓熱容；為理想氣體比熱容。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對迷宮密封進行結(jié)構(gòu)離散，仿真分析密封間隙分別為1 mm和2.5 mm的密封結(jié)構(gòu)及其密封性能。圖3所示為不同進出口壓力比下密封系數(shù)對比。由圖3可知，在同一工況下，數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果變化規(guī)律基本一致，在同一壓力比下，相對誤差不超過15%，滿足工程應(yīng)用的要求，說明仿真方法可行。

1—間隙1.0 mm，仿真結(jié)果；2—間隙1.0 mm，試驗結(jié)果；3—間隙2.5 mm，仿真結(jié)果；4—間隙2.5 mm，試驗結(jié)果。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 流場分析

采用Euler?Euler模型，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，其他參數(shù)保持不變，仿真分析混合介質(zhì)下驅(qū)動齒輪箱密封系統(tǒng)的內(nèi)部流場。圖4所示為迷宮密封中截面的壓力分布云圖，圖5所示為潤滑油液滴的速度分布云圖，圖6所示為液滴的分布云圖。

由圖4和圖5可知，密封介質(zhì)通過密封齒發(fā)生加速降壓，空腔中形成渦流，耗散介質(zhì)的動能，降低介質(zhì)的流速。通過空腔的耗散作用和密封齒的降壓作用，介質(zhì)壓力逐漸降低，最終趨向環(huán)境背壓，達到了密封的作用。由圖6可知，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用，潤滑油主要分布于靜子腔中，在空腔中以理想氣體為中心，小油滴聚集在外圍的分布現(xiàn)象。通過設(shè)置甩油環(huán)結(jié)構(gòu)，更多潤滑油小液滴集中于靜子腔，通過在靜子腔底部布置回油孔，有利于潤滑油的回油，提高密封系統(tǒng)的密封性能。

圖4 中截面壓力分布云圖

圖5 潤滑油液滴的速度分布云圖

圖6 潤滑油液滴分布云圖

2.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

迷宮密封介質(zhì)為潤滑油小液滴和理想氣體混合物，介質(zhì)密度相差較大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對不同介質(zhì)的影響不同，造成混合介質(zhì)分布發(fā)生變化，影響密封系統(tǒng)的密封性能。

為了分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與密封系統(tǒng)的密封性能的關(guān)系，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)數(shù)值計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0~ 10 000 r/min時迷宮密封的潤滑油泄漏量。轉(zhuǎn)速與密封泄漏量的關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可知：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時，密封結(jié)構(gòu)的泄漏量隨著轉(zhuǎn)速升高而上升，但轉(zhuǎn)速超過一定閾值時，泄漏量隨著轉(zhuǎn)速升高而下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過8 000 r/min時，密封泄漏量下降減緩，趨于穩(wěn)定。

圖8所示為不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下驅(qū)動齒輪箱密封系統(tǒng)中截面的潤滑油小液滴分布云圖。由圖8可知：隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，潤滑油液滴分布明顯不同。潤滑油的分布直接影響密封結(jié)構(gòu)的泄漏量，主要體現(xiàn)為：1) 迷宮密封的直通效應(yīng)；2) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成轉(zhuǎn)子腔內(nèi)介質(zhì)速度高于靜子腔，介質(zhì)速度越快，泄漏量越大，轉(zhuǎn)子腔內(nèi)介質(zhì)更容易泄漏；3) 密封結(jié)構(gòu)中不同的空腔位置對泄漏影響不同，靠近出口的密封腔內(nèi)介質(zhì)更容易泄漏。驅(qū)動齒輪箱密封系統(tǒng)通過設(shè)置高低齒等結(jié)構(gòu)變形，避開直通式泄漏，非接觸式密封的直通效應(yīng)影響較小。

圖7 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下密封泄漏量曲線

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 0；(b) 3 000；(c) 6 000；(d) 10 000

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0 r/min時，靜子腔與轉(zhuǎn)子腔中液滴分布較為一致。液滴主要分布于空腔四周，空腔中形成以理想氣體為主的渦流，受介質(zhì)軸向流動的影響，渦流中心沿介質(zhì)流動方向發(fā)生偏移。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到3 000 r/min時，Ⅰ腔、Ⅱ腔中轉(zhuǎn)子腔內(nèi)潤滑油甩到靜子腔中，在甩油環(huán)作用下，I腔轉(zhuǎn)子腔中基本無潤滑油，有利于減小潤滑油泄漏；同時，更多潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔流向Ⅲ腔中，Ⅰ腔、Ⅱ腔潤滑油含量明顯降低，Ⅲ腔中潤滑油含量明顯上升；Ⅳ腔中只設(shè)有靜子腔，潤滑油越過靜子腔由間隙通道直接泄漏。潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔向Ⅲ腔、Ⅳ腔轉(zhuǎn)移的過程中，造成潤滑油小液滴泄漏增加。綜合作用下，潤滑油泄漏量隨著轉(zhuǎn)速增加而上升。

當(dāng)轉(zhuǎn)速進一步提高，達到6 000 r/min時，Ⅰ腔、Ⅱ腔中潤滑油含量增大，減少了潤滑油的泄漏。同時，由于潤滑油密度較大，轉(zhuǎn)速對潤滑油離心力影響較大，Ⅰ腔、Ⅱ腔中潤滑油主要集中于靜子腔，Ⅲ腔中潤滑油主要偏向于靜子側(cè)，潤滑油泄漏量進一步減少。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到10 000 r/min時，Ⅰ腔、Ⅱ腔中轉(zhuǎn)子腔潤滑油含量進一步降低，更多潤滑油集中于靜子腔，Ⅲ腔中潤滑油偏向靜子側(cè)；同時，Ⅳ腔中靜子腔中存儲一部分潤滑油，降低潤滑油泄漏量，但更多潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔轉(zhuǎn)向Ⅲ腔、Ⅳ腔，增加了潤滑油泄漏。綜合作用下，潤滑油泄漏量下降，但下降幅度減小，趨于穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對迷宮密封內(nèi)部流場分布影響較大，當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)時，轉(zhuǎn)子腔中潤滑油含量下降。綜合考慮轉(zhuǎn)子腔和靜子腔的潤滑油含量以及潤滑油所在空腔所處的位置，最終造成潤滑油泄漏量先上升后下降最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.3 潤滑油液滴體積分數(shù)對泄漏量的影響

為分析潤滑油液滴體積分數(shù)對密封系統(tǒng)的密封性能影響，數(shù)值計算進出口壓比為1.5，液滴直徑分別為1 μm和5 μm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，潤滑油體積分數(shù)為1%~15%時驅(qū)動齒輪箱密封系統(tǒng)的泄漏量。圖9所示為不同液滴直徑下密封結(jié)構(gòu)泄漏量與潤滑油體積分數(shù)之間的關(guān)系。

由圖9可知：在不同潤滑油液滴直徑下，潤滑油體積分數(shù)對迷宮結(jié)構(gòu)泄漏量的影響規(guī)律基本一致；在同一轉(zhuǎn)速下，潤滑油液滴體積分數(shù)越高，泄漏量越大，但液滴體積分數(shù)越高，對泄漏量的影響越小，呈非線性關(guān)系。

液滴直徑/μm：1—1；2—5。

隨著潤滑油體積分數(shù)增加，進入密封系統(tǒng)的潤滑油含量增加，造成潤滑油泄漏量增加；但潤滑油體積分數(shù)越高，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用下，密封介質(zhì)承受離心力作用，更多的潤滑油由轉(zhuǎn)子腔進入靜子腔或靜子側(cè)，潤滑油體積分數(shù)對密封泄漏的影響減弱，泄漏量并沒有隨潤滑油體積分數(shù)的增加呈等比例線性增長。

2.4 潤滑油液滴直徑對泄漏量的影響

對比分析潤滑油液滴直徑(微米級)對密封系統(tǒng)的密封性能影響，數(shù)值計算進出口壓力比為1.5，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，潤滑油體積分數(shù)為1%，10%和15%，液滴直徑為1~15 μm時驅(qū)動齒輪箱密封系統(tǒng)的泄漏量。圖10所示為不同液滴體積分數(shù)下密封結(jié)構(gòu)泄漏量與液滴直徑的關(guān)系。

潤滑油體積分數(shù)/%：1—1；2—5；3—10。

由圖10可知：不同潤滑油液滴體積分數(shù)下，潤滑油直徑對迷宮結(jié)構(gòu)泄漏量的影響規(guī)律基本一致；在同一轉(zhuǎn)速和潤滑油體積分數(shù)下，潤滑油液滴直徑越大，泄漏量越大，泄漏量隨液滴直徑的變化呈近線性變化。這是由于隨著潤滑油直徑增大，單個潤滑油顆粒的體積增大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成離心力影響增大，更多的潤滑油由Ⅰ腔、Ⅱ腔轉(zhuǎn)向Ⅲ腔、Ⅳ腔，造成潤滑油泄漏增大，呈近線性增加。

3 結(jié)論

1) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對迷宮密封的內(nèi)部流場分布產(chǎn)生影響，直接決定密封結(jié)構(gòu)的密封性能，主要表現(xiàn)為：直通式密封的直通效應(yīng)；轉(zhuǎn)子腔內(nèi)介質(zhì)泄漏較靜子腔更容易；不同的空腔位置中的介質(zhì)對泄漏影響不同，靠近出口的密封腔內(nèi)介質(zhì)容易泄漏。

2) 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，潤滑油液滴的泄漏量先上升后下降最后趨于穩(wěn)定。

3) 潤滑油液滴體積分數(shù)越高，泄漏量越大，但液滴體積分數(shù)較高時，對泄漏量的影響較小，呈非線性關(guān)系。

4) 微米級潤滑油液滴直徑越大，泄漏量越大，泄漏量隨液滴直徑的變化呈近線性變化。

5) 齒輪箱迷宮密封設(shè)計時，應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)速對密封介質(zhì)分布的影響，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，使得潤滑油盡可能集中于靠近入口的腔室中，尤其是靜子腔，同時減少進入密封系統(tǒng)的液滴體積分數(shù)和直徑，提高密封系統(tǒng)的密封性能，減少齒輪箱的潤滑油泄漏。

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Analysis of high-speed EMU gearbox sealing system based on multiphase flow theory

ZHANG Yu, ZHANG Kailin, YAO Yuan

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 6130031, China)

In order to investigate the sealing mechanism of the gearbox sealing system for high-speed electric multiple unit(EMU), the sealing performance of the Labyrinth seal with the mixture of lubricating oil and ideal gas was analyzed, and the calculation model of the sealing system structure of the output end of a domestic driving gearbox was established. The internal flow field of the sealing system was obtained by using Euler-Euler two-phase model. The influence of the rotor speed on the media distribution of the internal flow field in the mixed medium, and the oil droplet concentration and diameter on the leakage loss of the sealing structure were also studied. The results show that the straight-through effect of seal clearance, the distribution of lubricant droplets in the stator cavity or the rotor cavity, and the position of the cavity are the main factors in affecting the performance of labyrinth seal. The leakage loss of lubricating oil droplet increases with the increase of rotor speed, reaches a maximum, and then decreases and levels off with the further increase of rotor speed. The higher the oil droplet concentration, the larger the diameter, and thus the larger the leakage loss. However, the higher the oil droplet concentration, the smaller the effect of the concentration on the leakage loss, which shows non-linear relation. The leakage loss increases linearly with the increase of oil droplet diameter.

high-speed gearbox;sealing system; multiphase flow; lubricating oil; leakage loss

U270.2

A

1672?7207(2019)03?0550?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.007

2018?04?16；

2018?05?17

國家自然科學(xué)基金資助項目(51675443，51735012)；牽引動力國家重點實驗室自主研究課題資助項目(2017TPL?T2，2018TPL?T05) (Projects(51675443, 51735012) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2017TPL?T2, 2018TPL?T05) supported by State Key Laboratory of Traction Power of the Independent Research and Development Program)

張雨，博士研究生，從事齒輪箱潤滑與密封研究；E-mail：zhangyutpl@163.com

(編輯 趙俊)