王志，李吉凱，蘇金友，趙丹，楊志明，張鳳玲

(1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室,沈陽 110136；2.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院 高空模擬技術(shù)國防重點實驗室，綿陽 621000 )

在進行航空發(fā)動機高空飛行模擬試驗時，發(fā)動機安裝于推力測試平臺動架上，動架與靜架間一般采用非接觸的蓖齒封嚴結(jié)構(gòu)連接。由于篦齒連接結(jié)構(gòu)本身預留較大間隙，因此導致蓖齒封嚴結(jié)構(gòu)泄漏量較大，需要額外進行氣體補充，才能提高高空臺對發(fā)動機推力測量的精準度。在研究非接觸密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封結(jié)構(gòu)泄漏量影響方面，巴鵬等[1]應用動網(wǎng)格技術(shù)對迷宮密封的齒形進行了相關的研究，研究表明當其他條件相同時，矩形齒的密封效果最好；吳丁毅[2]在直通式蓖齒密封中研究了密封齒尖厚度與間隙比，齒數(shù)以及氣流方向?qū)Y(jié)構(gòu)封嚴性能的影響，得知密封性能受到間隙影響較大，密封齒數(shù)超過8個時，再增加齒數(shù)對于密封性能幾乎沒有影響的規(guī)律；丁學俊等[3]應用Fluent軟件計算迷宮密封斜齒角度和三角齒型對泄漏量的影響，發(fā)現(xiàn)當傾斜角度增加時，泄漏量由大到小再到大；隨著三角齒根角度的增加,泄漏量也由大到小再到大；巴鵬等[4]建立三維迷宮模型，研究密封間隙對密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著間隙寬度的增大，流體速度降低，迷宮間隙內(nèi)的節(jié)流效應降低，泄漏量逐漸增大；李鈺潔等[5]研究渦輪葉頂密封時發(fā)現(xiàn)隨著密封間隙的增大，密封結(jié)構(gòu)的泄露量也隨之增大。

針對現(xiàn)有高空臺動靜架連接的金屬篦齒密封間隙預留過大問題，本文提出采用聚四氟乙烯(PTFE)作非接觸密封圈的新型密封結(jié)構(gòu)來替換蓖齒封嚴結(jié)構(gòu)。聚四氟乙烯(PTFE)被稱為“塑料之王”，作為動靜架的密封材料(密封圈)，與傳統(tǒng)的橡膠材質(zhì)密封圈相比，其優(yōu)點是具有較大的彈性模量，受大的應力作用不會因發(fā)生較大形變而導致密封間隙變大，進而導致密封失效。該材料本身又具有極低的摩擦系數(shù)，因此既可以作為接觸密封材料，也可以作為非接觸密封材料，本文將其作為非接觸密封材料使用。

目前大多數(shù)學者所研究的是聚四氟乙烯材料及其復合材料的摩擦特性，如葉素娟等[6]對不同PTFE復合材料密封圈摩擦特性進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)填充其他材料后能顯著提高聚四氟乙烯的抗磨性能；Tzanakis等[7]將PTFE復合材料用在高碳鋼上進行摩擦特性分析，與其他材料相比，含Cr2O3的青銅( PTFE )復合材料具有優(yōu)異的抗磨損性能[8]。國外還有學者研究在摩擦熱的影響下，PTFE復合材料的壓縮蠕變對于密封配合間隙的影響[9]，上述學者主要研究的是PTFE用于接觸式工作環(huán)境下的性質(zhì)，而對于PTFE用于非接觸密封的研究較少。祝娟等[10]對變截面密封圈幾何參數(shù)對密封性能的影響進行了研究，分析了截面幾何參數(shù)對密封圈應力分布的影響。

關于CFX仿真計算方面，多數(shù)學者[11-13]應用CFX計算研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況對流場模型的壓力分布、速度分布和溫度分布規(guī)律，進而指導結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。范晉偉[14]通過應用CFX研究液壓軸承的關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對其油膜壓力分布的影響，并用于指導液壓軸承的優(yōu)化設計；崔亞輝[15]應用CFX研究密封間隙和預旋角度對迷宮密封泄漏量和動特性系數(shù)的影響規(guī)律。

關于泄漏量的相關計算，國外學者[16-19]給出了一些經(jīng)驗公式，但是由于公式假設條件比較苛刻，不具有通用性，因此本文采用軟件自帶流量公式來計算所研究模型的泄漏量。

1 模型的建立

1.1 模型尺寸

本文應用PTFE作為密封結(jié)構(gòu)材料來替換動靜架連接處的篦齒密封結(jié)構(gòu)，將PTFE密封材料設計為圓環(huán)形密封圈。密封圈的橫截面初步設計為D形截面和梯形截面兩種，密封圈的類型和具體尺寸見圖1和圖2所示。圖中高度h的取值隨密封間隙改變，依次為3.5 mm、4 mm、4.5 mm、4.7 mm和4.9 mm。

圖1 D形密封圈橫截面示意圖

圖2 梯形密封圈橫截面示意圖

以梯形截面形狀密封圈模型為例，有限元模型如圖3所示，密封圈間用金屬圓環(huán)分隔固定，同時在密封圈和固定環(huán)之間形成腔體，密封圈頂端與筒壁的內(nèi)壁之間的距離為密封間隙。在保證模型計算結(jié)果準確的前提下，為了節(jié)省計算時間和降低計算對電腦配置的過高要求，應用實際試驗件密封段的1/4建立有限元模型。氣流通過進氣口導入到密封裝置中，當氣流進入到腔體時氣流會發(fā)生膨脹，動能耗散導致氣流的動能減少。當氣流流經(jīng)密封間隙時氣流會發(fā)生節(jié)流效應，導致氣體壓力值降低。當氣流每次流經(jīng)密封裝置內(nèi)的腔體和密封間隙時，氣流的動能和壓力值會逐漸降低，最終由出氣口流出。

圖3 有限元模型

1.2 網(wǎng)格劃分

圖4為有限元模型的網(wǎng)格劃分示意圖，進行網(wǎng)格劃分時將整個流體域模型分為兩部分。整體部分的網(wǎng)格尺寸設置為1 mm，對另外尖端小尺寸的部位進行網(wǎng)格尺寸加密處理，網(wǎng)格尺寸設置為0.5 mm，以此來提高網(wǎng)格質(zhì)量，提升計算結(jié)果的精準度。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分

從圖5中可以看到，當網(wǎng)格的數(shù)量大約為150萬時，再增加網(wǎng)格數(shù)量對于結(jié)果幾乎沒有影響，泄漏量波動小于0.1%，由此認定此時網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響不大。最終所有流體域計算模型的網(wǎng)格數(shù)量為140～160萬之間。

圖5 網(wǎng)格無關性檢驗圖

1.3 密封段湍流模型

設工質(zhì)為可壓縮理想氣體，黏性系數(shù)滿足Sutherland假設，數(shù)值計算采用時間追趕的有限體積法，求解三維穩(wěn)態(tài)Realizablek-ε方程。收斂判斷標準為：連續(xù)方程、動量方程和湍流方程的均方根殘差下降到10-4～10-5，進出口質(zhì)量流量差值小于0.01%，認為計算收斂。應用CFX中的自帶的流量公式函數(shù)來計算泄漏量。Realizablek-ε方程如下

(1)

(2)

式(1)、(2)中,k為湍流動能，ε為湍動耗散率，σk,σε為湍流動能和湍動耗散率對應的Prandtl數(shù)，σk=1,σε=1.2；xi,xj為位置坐標分量；μi為速度坐標分量；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項；μ為流體動力粘性系數(shù)。流體動力粘性系數(shù)μ=ρCμk2/σε，Cμ為模型常數(shù)，C2=1.9。

1.4 邊界條件設置

研究密封結(jié)構(gòu)泄漏特性時，入口設置為總壓、總溫進口。出口給定為壓力出口，壓力值為標準大氣壓。表1給出了填充材料密封結(jié)構(gòu)模型的邊界條件，其中壓力比為進氣口與出氣口壓力之比。

表1 填充材料密封邊界條件

2 仿真計算及結(jié)果分析

2.1 密封圈橫截面形狀對新型密封結(jié)構(gòu)泄漏特性的影響

設計優(yōu)異的橫截面形狀密封圈不僅可以起到良好的密封效果，同時有利于降低加工生產(chǎn)的難度，對于后期的使用和維護也有很大的便利。本次設計密封圈截面形狀初步選定D形截面和梯形截面。以泄漏量為評判依據(jù)，通過仿真計算分析，篩選密封性能優(yōu)異的密封圈進行結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封特性影響研究。同時，研究當密封圈截面形狀相同時密封間隙對密封結(jié)構(gòu)的密封特性影響規(guī)律。密封間隙的選取依次為1.5 mm、1 mm、0.5 mm、0.3 mm、0.1 mm。以此來研究當密封間隙改變時，密封結(jié)構(gòu)泄漏量隨之變化的規(guī)律。

橫向比較圖6a和圖6b，圖7a和圖7b,同時通過對比表2和表3中的壓降值可知，當密封間隙減小時，出口端壓力值顯著降低，壓降值顯著提升，密封結(jié)構(gòu)壓降效果提升。縱向比較時，同樣的密封間隙工況下，梯形截面密封圈的密封特性都要比D形截面密封圈的密封特性更加優(yōu)異。因此選取梯形截面作為密封圈的橫截面形狀更具優(yōu)勢。

圖6 D形密封圈，壓力比2.0，5個密封圈，不同密封間隙壓力云圖

從表2和表3可以得知，無論是D形截面密封圈還是梯形截面密封圈，當密封間隙減小時密封結(jié)構(gòu)使氣體壓降值顯著增強。密封結(jié)構(gòu)泄漏量顯著降低如圖8所示。

表3 梯形密封圈不同密封間隙壓降值

圖8 密封間隙及密封圈截面形狀對泄漏量影響趨勢圖

從圖8可知，當D形截面密封圈的密封間隙從1.5 mm變成0.1 mm時，密封結(jié)構(gòu)泄漏量降低84.44%。當梯形截面密封圈的密封間隙從1.5 mm變成0.1 mm時，密封結(jié)構(gòu)泄漏量降低91.82%。從圖8看出，隨著密封間隙的減小，梯形截面密封圈的泄漏量始終低于D形截面密封圈的泄漏量。

2.2 進出口壓力比對新型密封結(jié)構(gòu)泄漏特性的影響

由于密封結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的特殊性，其工作介質(zhì)為流體，因此密封結(jié)構(gòu)進出口壓力比對密封結(jié)構(gòu)設計有著一定的影響作用。采用梯形截面密封圈作為密封結(jié)構(gòu)的密封部件，選取密封圈個數(shù)為5，密封間隙為0.1 mm和0.3 mm的密封段模型來研究壓力比對于密封結(jié)構(gòu)密封特性的影響規(guī)律。出口端連接大氣環(huán)境，進出口壓力比依次設定為1.5、1.8、2.0、2.3、2.5。

從表4可以看出，隨著壓力比的增加，雖然密封結(jié)構(gòu)的壓降值增加，但是此時對壓力云圖的出口端壓力值采樣時，發(fā)現(xiàn)出口端壓力值也在增加，因此導致密封結(jié)構(gòu)泄漏量增加，如圖9所示。由此斷定出口端壓力值也是判斷密封結(jié)構(gòu)性能的一個重要指標。因此當用壓力值來評價一個密封裝置的密封特性時，應關注密封結(jié)構(gòu)壓降值和出口端壓力值兩個參數(shù)，來評價密封結(jié)構(gòu)的密封特性的優(yōu)良。

表4 不同壓力比下密封結(jié)構(gòu)壓降值

從圖9得知，當密封間隙為0.1 mm，密封圈個數(shù)為5個，壓力比從2.5降低至1.5時密封結(jié)構(gòu)泄漏量降低71.43%。當密封間隙為0.3 mm，密封圈個數(shù)為5個，壓力比從2.5降低至1.5時、密封結(jié)構(gòu)泄漏量降低77.79%。由此得知，進出口壓力比對密封結(jié)構(gòu)的密封特性有較大影響。從圖9可以看出，在一定條件下密封間隙對結(jié)構(gòu)泄漏量的影響要大于壓力比對結(jié)構(gòu)泄漏量的影響。

圖9 壓力比對于泄漏量的影響趨勢圖

2.3 密封圈個數(shù)對新型密封結(jié)構(gòu)泄漏特性的影響

從安裝工藝、材料用量與泄漏量平衡的角度出發(fā)，設計適當?shù)拿芊馊€數(shù)不僅可以有效降低泄漏量，而且還能降低結(jié)構(gòu)的加工及維護成本。通過仿真計算與分析，研究梯形截面密封圈密封間隙為0.1 mm，壓力比為1.5、2.0和2.5時，密封圈個數(shù)分別為5、4和3時對密封結(jié)構(gòu)泄漏特性的影響規(guī)律。

圖10 4個密封圈，密封間隙0.1 mm，壓力比1.5壓力云圖

圖11 3個密封圈，密封間隙0.1 mm，壓力比1.5壓力云圖

當壓力比為1.5，密封間隙為0.1 mm時，密封圈個數(shù)由3個增加至5個時，泄漏量降低19.65%；當壓力比為2.0，密封間隙為0.1 mm時密封圈個數(shù)由3個增加至5個時，泄漏量降低22.42%。當壓力比為2.5，密封間隙為0.1 mm時密封圈個數(shù)由3個增加至5個時，泄漏量降低22.96%。同時從圖12可以看出，在一定條件下壓力比對結(jié)構(gòu)泄漏量的影響要大于改變密封圈個數(shù)對結(jié)構(gòu)泄漏量的影響。

圖12 密封圈個數(shù)對于泄漏量的影響趨勢圖

3 結(jié)論

通過對密封結(jié)構(gòu)仿真計算結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1)當減小密封結(jié)構(gòu)的密封間隙時，密封結(jié)構(gòu)的泄漏量顯著降低。在本文的模型中，當密封圈個數(shù)為5個，壓力比為2.0，梯形截面密封圈的密封結(jié)構(gòu)的密封間隙從1.5 mm變成0.1 mm時，密封結(jié)構(gòu)泄漏量降低91.82%。

(2)當降低密封結(jié)構(gòu)進出口壓力比時，密封結(jié)構(gòu)泄漏量降幅較大。在本文的模型中，當密封間隙為0.1 mm，密封圈個數(shù)為5個，壓力比從2.5降低至1.5時密封結(jié)構(gòu)泄漏量降低71.43%。

(3)改變密封圈數(shù)量時，密封結(jié)構(gòu)泄漏量變化較小。當壓力比為1.5，密封間隙為0.1 mm時，密封圈個數(shù)由3個增加至5個時泄漏量降低19.65%。