許曉東 張玉言 馬晨波 孫見(jiàn)君

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 江蘇南京 210037)

作為過(guò)程工業(yè)裝備防止泄漏的重要功能基礎(chǔ)件，機(jī)械密封對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)意義重大[1]。其中，非接觸式機(jī)械密封以其極具潛力的節(jié)能和防漏優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。動(dòng)壓型機(jī)械密封作為非接觸式機(jī)械密封的典型形式，可借助動(dòng)壓效應(yīng)增大液膜開(kāi)啟力，形成端面間全流體潤(rùn)滑狀態(tài)，有效降低端面磨損，已成功應(yīng)用于泵、汽輪機(jī)和反應(yīng)釜等裝備中。但是，隨著航空航天、核電和化學(xué)工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量需要面臨高溫、高速等復(fù)雜工況以及密封介質(zhì)易汽化或易揮發(fā)等高端裝備的機(jī)械密封應(yīng)用場(chǎng)合，液膜相變問(wèn)題成為影響密封工作穩(wěn)定性和可靠性，甚至導(dǎo)致密封失效的直接因素之一[2]。已有研究表明，相變?cè)谝欢l件下可以提高液膜承載能力、控制泄漏、降低端面摩擦扭矩。但液膜汽化和液膜空化也會(huì)造成不利影響[3-5]，如汽化會(huì)導(dǎo)致端面液膜完整性受到破壞，使得分離的動(dòng)靜環(huán)端面出現(xiàn)接觸情況，造成密封端面磨損、汽蝕損傷、端面熱裂等密封失效形式；空化會(huì)在液膜中出現(xiàn)氣泡，而氣泡的出現(xiàn)與潰滅會(huì)導(dǎo)致密封端面開(kāi)啟力降低，端面磨損急劇增長(zhǎng)，使得動(dòng)靜環(huán)表面遭到破壞。為了提高動(dòng)壓型機(jī)械密封在復(fù)雜工況參數(shù)條件下的穩(wěn)定性運(yùn)行能力，液膜相變問(wèn)題成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

本文作者闡述了動(dòng)壓型機(jī)械密封液膜相變機(jī)制、相變模型，綜述了動(dòng)壓型機(jī)械密封端面型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)對(duì)液膜相變的影響規(guī)律，并指出了未來(lái)液膜相變研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1 動(dòng)壓型機(jī)械密封相變機(jī)制

動(dòng)壓型機(jī)械密封相變是指由于溫度或壓力的影響，液膜由液相向汽相轉(zhuǎn)變的一個(gè)過(guò)程，根據(jù)成型機(jī)制的不同，可以分為汽化和空化。

1.1 汽化機(jī)制

影響汽化的主要因素是溫度。當(dāng)液膜溫度升高，達(dá)到并超過(guò)其蒸發(fā)溫度，液膜由液相向汽相轉(zhuǎn)變。導(dǎo)致動(dòng)壓型機(jī)械密封端面液膜溫度升高的熱源有：密封裝置啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)靜環(huán)相互接觸，摩擦產(chǎn)生的大量熱量；裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，動(dòng)靜環(huán)之間液膜黏性剪切時(shí)產(chǎn)生的熱量[6]；動(dòng)環(huán)隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的少量攪拌熱[7]；密封介質(zhì)與外界通過(guò)對(duì)流換熱導(dǎo)致的熱量變化。

液膜密封狀態(tài)可以通過(guò)汽化半徑來(lái)判斷，當(dāng)汽化半徑小于端面內(nèi)徑時(shí)，視為未發(fā)生汽化，稱為全液膜密封；當(dāng)汽化半徑大于端面內(nèi)徑又遠(yuǎn)小于端面外徑時(shí)，汽化程度較低，稱為似液相混相密封；當(dāng)汽化半徑小于端面外徑又遠(yuǎn)大于端面內(nèi)徑時(shí)，汽化程度較高，稱為似汽相混相密封；當(dāng)汽化半徑大于端面外徑時(shí)，視為完全汽化，稱為全汽膜密封[8]。

1.2 空化機(jī)制

影響空化的主要因素是壓力。當(dāng)局部壓力低于飽和蒸汽壓時(shí)，液膜中開(kāi)始出現(xiàn)氣泡。導(dǎo)致動(dòng)壓型機(jī)械密封端面壓力下降的原因有2種。第一種是由于密封環(huán)端面開(kāi)設(shè)周期性型槽，當(dāng)液膜從槽區(qū)流向密封堰區(qū)時(shí)，膜厚減小，局部壓力升高，處于收斂區(qū)；當(dāng)液膜從密封堰區(qū)流向槽區(qū)時(shí)，膜厚增加，局部壓力降低，處于發(fā)散區(qū)，當(dāng)局部壓力降低到液膜的飽和蒸汽壓時(shí)，液膜開(kāi)始出現(xiàn)空化，這類被稱為宏觀空化。第二種是由于表面微凸體的影響，當(dāng)液膜從表面粗糙峰流向粗糙谷時(shí)(可將粗糙峰看作堰區(qū)，將粗糙谷看作槽區(qū))，液膜處于發(fā)散區(qū)域，局部壓力下降導(dǎo)致液膜出現(xiàn)空化，這類空化被稱為微觀空化[9]。

1.3 汽化和空化的區(qū)別

汽化和空化現(xiàn)象的區(qū)別包括所屬范疇、關(guān)鍵影響因素和相變位置。汽化屬于熱力學(xué)范疇，主要受溫度影響，但由于液膜的蒸發(fā)溫度隨液膜壓力的減小而降低，因此汽化區(qū)域發(fā)生在端面低壓一側(cè)，并隨著汽化程度的增長(zhǎng)逐漸向高壓一側(cè)擴(kuò)展。與之不同，空化是一種物理現(xiàn)象，只受液膜壓力影響，空化位置出現(xiàn)在堰區(qū)與槽區(qū)交界的低壓區(qū)，并隨著空化程度的增長(zhǎng)逐漸充滿槽區(qū)。

2 相變模型

2.1 汽化模型

2.1.1 Lee模型

LEE[10]針對(duì)液相和汽相分別建立了獨(dú)立的守恒方程，其中傳質(zhì)方程蒸發(fā)項(xiàng)和冷凝項(xiàng)分別如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：Tsat為蒸發(fā)溫度；Tl和Tv分別為液相和汽相溫度；λc為蒸發(fā)冷凝系數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得；α與ρ分別表示體積分?jǐn)?shù)和密度。

從式(1)和(2)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液相溫度高于蒸發(fā)溫度，或汽相溫度低于蒸發(fā)溫度時(shí)，兩相轉(zhuǎn)變就會(huì)產(chǎn)生。Lee模型具有形式簡(jiǎn)單、易于計(jì)算、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中的冷凝或沸騰過(guò)程。其中蒸發(fā)冷凝系數(shù)主要靠經(jīng)驗(yàn)取值，不一樣的蒸發(fā)冷凝系數(shù)計(jì)算的結(jié)果不相一致。邱國(guó)棟等[11]提出一種基于潛熱份額(潛熱換熱量占總換熱量的比例)和飽和溫差(流體溫度與飽和溫度的差值)來(lái)確定蒸發(fā)冷凝系數(shù)的方法，并在特定條件下驗(yàn)證了方法的正確性。但該方法得出的傳質(zhì)系數(shù)不一定能運(yùn)用到CFD中，因?yàn)樵撓禂?shù)可能導(dǎo)致能量方程極易發(fā)散。

2.1.2 Thermal LB 模型

LB方法可以有效模擬流體流動(dòng)和相關(guān)運(yùn)輸現(xiàn)象，能量方程如式(3)所示，基于該方法提出了3類Thermal LB模型進(jìn)行汽化相變分析。第一類通過(guò)將源項(xiàng)加入到連續(xù)性方程或界面捕捉方程中，跟蹤某個(gè)在本相中是常值，在擴(kuò)散界面區(qū)域平穩(wěn)變化的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相分離[12]。第二類將不同流體粒子間的電勢(shì)加入到LB方程中來(lái)實(shí)現(xiàn)相分離，具有界面自然出現(xiàn)、變形和遷移等特點(diǎn)，可以提高計(jì)算效率[13]。第三類是基于第二類的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，將高階速度項(xiàng)加入到溫度分布函數(shù)中來(lái)恢復(fù)溫度方程，可以更好地模擬得到流體流及溫度場(chǎng)分布[14]。LI等[15]指出Thermal LB模型中存在誤差項(xiàng)，如式(4)所示，如果不能消除其影響，其導(dǎo)致的計(jì)算誤差很顯著且不可忽略?；诖颂岢隽艘环N改進(jìn)的Thermal LB 模型，如式(5)所示。

ρ(?te+v·?e)=?·(λ?T)-p?·v

(3)

?t0(Tv)+?·(Tvv)

(4)

gα(x+eαδt,t+δt)=gα(x,t)-

(5)

格子玻爾茲曼方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多孔介質(zhì)內(nèi)的兩相流動(dòng)，并且效率極高，并且相變傳熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬同樣是格子玻爾茲曼方法的適用領(lǐng)域，主要用于求解傳熱過(guò)程中的能量方程。不可避免的是在相變傳熱問(wèn)題上會(huì)出現(xiàn)誤差，需要另尋方法解決。

2.2 空化模型

空化模型使用時(shí)不考慮溫度的影響，只針對(duì)壓力進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，并給定相應(yīng)的空化邊界條件求解雷諾方程。通過(guò)設(shè)定一個(gè)飽和蒸汽壓，根據(jù)各部分壓力與飽和蒸汽壓力的關(guān)系判斷模型中是由液相向汽相轉(zhuǎn)變，還是汽相向液相的轉(zhuǎn)變。蒸發(fā)項(xiàng)為液相向汽相轉(zhuǎn)化的部分，冷凝項(xiàng)為汽相向液相轉(zhuǎn)化的部分，在整個(gè)空化模型中蒸發(fā)項(xiàng)與冷凝項(xiàng)的傳質(zhì)關(guān)系如式(6)所示。

(6)

式中：Re和Rc分別代表蒸發(fā)項(xiàng)和冷凝項(xiàng)的傳質(zhì)率；α為汽相體積分?jǐn)?shù)；ρ為密度。

2.2.1 Zwart-Gerber-Belanri模型

2004年，ZWART等[16]基于Rayleigh-Plesset方程提出一個(gè)空化模型，可以用于預(yù)測(cè)三維流體中的空化氣蝕現(xiàn)象，在解決相應(yīng)多相流問(wèn)題時(shí)該模型的傳質(zhì)方程已普遍適用。如式(7)所示。

(7)

式中：RB為氣泡直徑；σ為表面張力系數(shù)；pv為蒸汽壓。

該模型解決了空化氣泡在液膜中的生長(zhǎng)與潰滅時(shí)產(chǎn)生的速度與壓力等的變化，并考慮了表面張力、黏性效應(yīng)等對(duì)空化的影響，并可以與Fluent中所有湍流模型兼容。局限之處在于模型中沒(méi)有包含不可凝氣體的計(jì)算式。該模型主要用于水翼空化、誘導(dǎo)器空化及文丘里管瞬態(tài)空化等情形。Schnerr-Sauer模型[17]同樣是使用式(7)來(lái)描述受到遠(yuǎn)場(chǎng)壓力干擾的單個(gè)氣泡的生長(zhǎng)與潰滅。

2.2.2 Singhal模型

SINGHAL等[18]同樣基于Rayleigh-Plesset方程提出了一個(gè)新空化模型，該模型解決了液膜中氣泡的形成和傳輸問(wèn)題、壓力和速度的湍流波動(dòng)問(wèn)題、溶解或吸收在液膜中的不可冷凝氣體的問(wèn)題，因此被稱之為“full cavitation model”。氣泡動(dòng)力學(xué)方程如式(8)所示。

(8)

式中：pB為氣泡壓力;v為流體速度矢量;S為表面張力。

該模型適用于以下幾種情形：具有復(fù)雜的多端口，幾何形狀、壓力負(fù)載隨時(shí)間變化的柴油噴油器中的空化現(xiàn)象；火箭渦輪、汽車恒溫閥中的空化現(xiàn)象。

上述空化模型中都包含經(jīng)驗(yàn)常數(shù)氣泡直徑RB，其取值對(duì)空化流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生巨大影響，需要通過(guò)引入瞬時(shí)剪切應(yīng)變率或平均剪切應(yīng)變率來(lái)修正蒸發(fā)系數(shù)以消除經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值影響。

2.2.3 空化邊界條件

動(dòng)壓型機(jī)械密封裝置運(yùn)行時(shí)，流體膜經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)壓的現(xiàn)象，需要引進(jìn)空化邊界條件以求解雷諾方程?？栈吔鐥l件的選擇在數(shù)值分析時(shí)非常重要，不當(dāng)?shù)倪x擇會(huì)使計(jì)算結(jié)果大大偏離實(shí)際。

DOWSON和TAYLOR[19]提出了4種空化邊界條件，分別為Sommerfeld邊界、Half-Sommerfeld邊界、Reynolds邊界、JFO邊界，空化邊界條件如圖1所示。

圖1 空化邊界條件[20]Fig.1 Cavitation boundary conditions[20]

其中JFO邊界條件是基于質(zhì)量守恒條件，考慮了液膜的破碎及再生，加入了混合等效密封和開(kāi)關(guān)函數(shù)而提出的空化邊界條件，適用范圍和計(jì)算精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他邊界條件。李振濤等[21-22]建立了空穴可視化實(shí)驗(yàn)，分析了不同邊界條件下端面液膜的空穴特征，發(fā)現(xiàn)使用JFO空化邊界條件計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際更加接近，并在此基礎(chǔ)上聯(lián)合使用空化模型研究了螺旋槽動(dòng)壓型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況參數(shù)變化時(shí)空化的變化規(guī)律。YANG等[23]基于JFO空化邊界條件、表面粗糙度、彈塑性接觸、熱彈性變形及黏溫效應(yīng)提出三維熱彈流體動(dòng)力模型，理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合度較高。

3 相變影響因素分析

機(jī)械密封裝置密封介質(zhì)為易汽化或易揮發(fā)性質(zhì)時(shí)較為容易出現(xiàn)相變現(xiàn)象，而在密封介質(zhì)一定時(shí)，大量研究表明，動(dòng)壓型機(jī)械密封的型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)(槽深、槽數(shù)、槽堰比、槽壩比)以及密封運(yùn)行時(shí)的工況參數(shù)(轉(zhuǎn)速、壓力、溫度)會(huì)對(duì)液膜相變產(chǎn)生顯著影響。

3.1 型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

常用的端面型槽有螺旋槽、T形槽、雷列槽等，如圖2所示。其中，Ro、Ri和Rg分別表示端面外半徑、內(nèi)半徑、槽根圓半徑；Rg1和Rg2分別表示內(nèi)外槽根圓半徑；θ1、θ2和θ3分別表示槽區(qū)、堰區(qū)對(duì)應(yīng)圓心的角度；θ表示螺旋角，為螺旋線上任意一點(diǎn)的切線與其所在圓的切線的夾角。

圖2 典型的型槽端面結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of typical groove end surface structure： (a) spiral groove; (b) T-groove; (c) Ryrus groove

3.1.1 槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽化的影響

宋仁龍[24]研究了單因素下螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽化的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋角、槽數(shù)對(duì)汽化影響較小，隨著螺旋角和槽數(shù)的增加，平均汽相體積分?jǐn)?shù)略微減小后趨于平穩(wěn)；而槽堰比、槽壩比、槽深對(duì)汽化的影響較大，隨著槽堰比、槽壩比的增長(zhǎng)，平均汽相體積分?jǐn)?shù)急劇增長(zhǎng)，隨著槽深的增加，平均汽相體積分?jǐn)?shù)大幅度降低，最終趨于平穩(wěn)。WANG等[25-26]、馬潤(rùn)梅等[27]、李歡等人[28-29]等利用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，以螺旋角θ、槽數(shù)、槽深、槽壩比、槽堰比等參數(shù)為變量，以不同溫度時(shí)的密封泄漏量和開(kāi)啟力為性能優(yōu)化目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋角為17°、槽數(shù)為8個(gè)、槽深為6 μm、槽壩比為0.8、槽堰比為0.7時(shí)，密封性能較優(yōu)，如圖3所示。

圖3 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能對(duì)比[27]Fig.3 Performance comparison before andafter sealing structure optimization[27]

不同于淺槽液膜密封，劉歡歡[30]針對(duì)深槽液膜密封相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽化的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T形槽的槽數(shù)和槽深的改變不會(huì)導(dǎo)致汽化發(fā)生變化，而且槽壩比、槽寬比的增加，僅僅會(huì)造成汽相體積分?jǐn)?shù)的輕微改變。深槽密封端面溫度變化幅度較小，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在壩區(qū)中部，結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)該部位影響較小，所以深槽密封條件下結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽化相變的影響基本可以忽略不計(jì)。雷列槽由深槽區(qū)和淺槽區(qū)組合而成。在淺槽以及深槽等相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，雷晨輝[31]對(duì)動(dòng)環(huán)端面開(kāi)設(shè)雷列臺(tái)階槽的機(jī)械密封進(jìn)行了汽化研究，對(duì)于深槽分析得到的結(jié)論與文獻(xiàn)[30]的結(jié)論一致，槽深及槽寬對(duì)汽化基本無(wú)影響；而隨著淺槽的槽深和槽寬的增加，液膜汽化程度逐漸減小。

3.1.2 型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化的影響

李振濤[32]研究了端面型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液膜空穴誘發(fā)影響，發(fā)現(xiàn)槽深增加會(huì)使得液膜抵抗負(fù)壓形成能力提升，降低了液膜空化區(qū)域的大小，但空化區(qū)域的氣相組分卻明顯增多。BRUNETIRE和ROUILLON[33]提出槽深的增加會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)狀態(tài)從層流向湍流轉(zhuǎn)變，計(jì)算得到的雷諾數(shù)明顯增大，并且雷諾數(shù)越大時(shí)，流體慣性效應(yīng)更加顯著。MA等[34]發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)為942時(shí)，考慮慣性效應(yīng)的空化面積比不考慮慣性效應(yīng)時(shí)增大了45%，并且空化面積隨著槽深的增加先增加后降低，隨著螺旋角的增加而增加，如圖4所示。

LI等[35]、楊文靜等[36]研究了下游泵送螺旋槽不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化相變的影響，并且比較了上游泵送和下游泵送2種槽型對(duì)空化的影響，結(jié)果表明：空化程度隨著槽數(shù)、槽深的增加，螺旋角、槽堰比、槽壩比的減小而減??；上游泵送型螺旋槽更易產(chǎn)生空化相變，其產(chǎn)生的空化區(qū)域的周向?qū)挾纫黠@大于下游泵送型。無(wú)論是上游泵送還是下游泵送都是正向螺旋槽，除此以外還存在反向螺旋槽。馬學(xué)忠等[37-40]對(duì)反向螺旋槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，并且利用正向螺旋槽的流體動(dòng)壓效應(yīng)及反向螺旋槽的空化效應(yīng)，提出了正反向螺旋槽端面結(jié)構(gòu)以提高密封性能，同時(shí)還在雷列臺(tái)階環(huán)槽的基礎(chǔ)上提出反向瑞利臺(tái)階結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲得一個(gè)空化相變率使得綜合密封性能最佳。研究發(fā)現(xiàn)，反向螺旋槽端面槽區(qū)的液膜呈現(xiàn)發(fā)散特征，極易產(chǎn)生空化，并且結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變也更易導(dǎo)致空化相變率發(fā)生變化。

圖4 空化面積隨槽深、螺旋角的變化趨勢(shì)[34]Fig.4 Variation trend of cavitation area with groove depth andhelix angle[34] ：(a) groove depth; (b) helix angle

上述學(xué)者不僅研究了端面型槽各結(jié)構(gòu)參數(shù)的單一因素對(duì)密封性能的影響，還針對(duì)某些性能參數(shù)進(jìn)行了多因素結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，提出更優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。同時(shí)，利用正、反向型槽結(jié)構(gòu)對(duì)相變的抑制、促進(jìn)作用或深槽及淺槽進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其密封性能要高于單獨(dú)型槽結(jié)構(gòu)。并且不同槽型相互組合結(jié)構(gòu)可以使得動(dòng)壓型機(jī)械密封適應(yīng)不同的環(huán)境工況，提高密封穩(wěn)定性。

目前，型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化、汽化影響的研究還存在一定的問(wèn)題，如利用高精度開(kāi)槽技術(shù)，型槽槽深達(dá)到微米級(jí)，然而靜環(huán)表面粗糙度較高(如圖5所示)，流體流經(jīng)高粗糙度區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的微小擾動(dòng)會(huì)影響整個(gè)流體膜的流動(dòng)，其產(chǎn)生的影響已經(jīng)不可忽略，而目前仿真研究時(shí)基本假定動(dòng)靜環(huán)兩表面為光滑曲面。此外，目前的研究在考慮型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化、汽化影響時(shí)，研究對(duì)象多為螺旋槽、梯形槽、人字槽等，對(duì)其他槽型研究較少，而不同槽型在不同工況下對(duì)相變影響是不一致的。

圖5 靜環(huán)端面表面粗糙度分布[3]Fig.5 Distribution of surface roughness of stationary ring faces[3]

3.2 工況參數(shù)的影響

動(dòng)壓型機(jī)械密封裝置在實(shí)際工作中，有很多因素如振動(dòng)、壓力波動(dòng)、相變等使得工況參數(shù)發(fā)生改變，不同的工況條件下端面液膜的相變率不相一致，液膜易出現(xiàn)不穩(wěn)甚至失效現(xiàn)象。

3.2.1 工況參數(shù)對(duì)汽化的影響

ZHANG等[41-42]通過(guò)搭建低溫高速非接觸式機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)裝置，以液氮為密封介質(zhì)，分析了密封裝置加速、穩(wěn)定、減速階段密封性能變化，發(fā)現(xiàn)密封裝置加速到穩(wěn)定階段時(shí)，局部介質(zhì)溫度迅速升高，液膜發(fā)生汽化，并且最終轉(zhuǎn)速越高，汽化程度就越高。MIGOUT等[43]發(fā)現(xiàn)入口溫度對(duì)汽化的影響在溫度超過(guò)一定閾值后更加明顯，更易導(dǎo)致整個(gè)液膜喪失穩(wěn)定。曹恒超等[44]在不同入口溫度條件下研究了工況參數(shù)對(duì)相變的影響，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的升高，汽化程度逐漸升高，如圖6所示，并提出隨著入口與出口的壓力差增加，端面壓力梯度變大，會(huì)對(duì)汽化產(chǎn)生抑制作用，使汽化程度降低。除此之外，作者研究還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)汽化的影響與槽深有著重要的關(guān)系，當(dāng)槽深與膜厚的比值大于2時(shí)，轉(zhuǎn)速的提高會(huì)對(duì)汽化產(chǎn)生抑制作用，反而降低了汽化的產(chǎn)生。

陳匯龍等[45-46]、李新穩(wěn)[47]認(rèn)為壓力對(duì)密封介質(zhì)蒸發(fā)溫度的影響及流體內(nèi)摩擦在汽化分析中不可忽視，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了密封介質(zhì)蒸發(fā)溫度隨局部壓力變化方程。研究發(fā)現(xiàn)：溫度較低時(shí)，汽化隨轉(zhuǎn)速的增加先保持平穩(wěn)后持續(xù)升高；但隨著溫度升高，汽化隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律出現(xiàn)改變，隨著轉(zhuǎn)速的增加，汽化是先降低再升高，如圖7所示，不同于曹恒超等[44]的研究結(jié)果。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)的膜壓較小，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也較小，介質(zhì)受到溫升的影響極易發(fā)生汽化；但隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槽的泵送效應(yīng)及動(dòng)壓效應(yīng)明顯增強(qiáng)，泵吸進(jìn)入的低溫介質(zhì)降低了介質(zhì)溫度，膜壓的增強(qiáng)提高了介質(zhì)的飽和溫度，反而使得汽化受到抑制，出現(xiàn)降低；但轉(zhuǎn)速超過(guò)一定之后，流體內(nèi)摩擦效應(yīng)越發(fā)明顯，汽化程度開(kāi)始出現(xiàn)緩慢上升，并且入口溫度的增長(zhǎng)對(duì)汽化的影響也逐漸降低。

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)相變率影響[44]Fig.6 Influence of speed on phase change rate[44]

圖7 轉(zhuǎn)速、溫度對(duì)平均氣相體積分?jǐn)?shù)影響[47]Fig.7 The influence of speed and temperature onthe average vapor phase volume fraction[47]

3.2.2 工況參數(shù)對(duì)空化的影響

楊文靜等[48]不僅研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)與空化之間的關(guān)聯(lián)性，還研究了工況參數(shù)對(duì)空化的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的增大、介質(zhì)壓力及膜厚的減小都會(huì)促進(jìn)空化的產(chǎn)生。郝木明等[49]研究了不同介質(zhì)溫度時(shí)空化的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在未達(dá)到蒸發(fā)溫度時(shí)，溫度的升高使得液膜空化程度先下降再上升，存在一個(gè)臨界溫度值使得空化效應(yīng)最弱，如圖8所示；并指出空化在密封轉(zhuǎn)速較低時(shí)是不存在的，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定值時(shí)，空化才開(kāi)始出現(xiàn)。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)，槽區(qū)與堰區(qū)之間的壓力降達(dá)不到空化產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 溫度-平均氣相體積分?jǐn)?shù)[49]Fig.8 Temperature-average gas phase volume fraction[49]

空化研究一般基于常值飽和蒸汽壓下研究，沒(méi)有考慮溫度對(duì)飽和蒸汽壓的影響。為此王彬[50]、陳匯龍等[51]提出建立密封介質(zhì)飽和蒸汽壓隨溫度的變化方程，發(fā)現(xiàn)加入空化熱效應(yīng)并不會(huì)改變空化因轉(zhuǎn)速增加而導(dǎo)致臺(tái)階擴(kuò)散通道壓力下降和空化產(chǎn)生的規(guī)律，僅會(huì)增大空化變化程度。但僅考慮黏溫效應(yīng)時(shí)，空化區(qū)域主要集中于螺旋槽槽底部位，如圖9所示。而綜合考慮黏溫效應(yīng)和空化熱效應(yīng)時(shí)，空化區(qū)域主要集中于槽區(qū)所對(duì)應(yīng)的端面位置，由該端面沿著膜厚方向向另一端面，空化區(qū)域越來(lái)越小，如圖10所示。LI等[52]不僅研究工況參數(shù)對(duì)空化的影響，還研究工況參數(shù)對(duì)液膜空化的誘發(fā)影響，發(fā)現(xiàn)液膜初始破裂位置和液膜重生位置的空化程度呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，前者從內(nèi)半徑至外半徑先增大后趨于穩(wěn)定，而后者保持不變。

工況參數(shù)不僅影響相變程度，還影響相變的產(chǎn)生區(qū)域及再生位置。通過(guò)針對(duì)單獨(dú)工況參數(shù)對(duì)相變誘發(fā)及相變程度的影響進(jìn)行分析，可以以此為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整工況參數(shù)條件進(jìn)行相變調(diào)控，使得相變不超過(guò)一定閾值，提高液膜穩(wěn)定性。

目前關(guān)于工況參數(shù)對(duì)相變影響的研究還不夠完善，對(duì)高轉(zhuǎn)速、高溫度等條件下的相變影響研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。張國(guó)淵等[53]建立的高速水潤(rùn)滑密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50 000 r/min，然而該文獻(xiàn)中僅給出了0～16 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)，僅僅達(dá)到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速的1/3。該文獻(xiàn)沒(méi)有進(jìn)行高于16 000 r/min轉(zhuǎn)速的相關(guān)實(shí)驗(yàn)并分析其對(duì)汽化相變的影響。另外，學(xué)者們?cè)谘芯繙囟葘?duì)汽化相變的影響時(shí)也是在一定范圍內(nèi)改變溫度。如陳匯龍等[45-46]研究的液態(tài)水相變問(wèn)題，其設(shè)置的溫度最高為433 K，僅僅比液態(tài)水在大氣壓下蒸發(fā)溫度高出60 K，在高壓環(huán)境下遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到液態(tài)水的沸點(diǎn)。文獻(xiàn)[27]中研究高、低汽化程度下參數(shù)對(duì)密封性能的影響時(shí)，以105和115 K分別定義為低汽化程度和高汽化程度。僅限于該溫度范圍的研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要進(jìn)一步研究更大范圍內(nèi)溫度對(duì)汽化的影響。

圖9 黏溫模型空化區(qū)域分布云圖[51]Fig.9 Viscous temperature model cavitationarea distribution cloud map[51]

圖10 空化熱特性模型空化區(qū)域分布云圖[52]Fig.10 Cavition heat characteristic model cavitationarea distribution cloud map[52]

4 結(jié)論及展望

雖然關(guān)于液膜相變的科學(xué)研究已取得重要進(jìn)展，但就相變模型的適用性、極端工況下的相變和密封相變監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)而言，仍缺乏系統(tǒng)研究。未來(lái)可從以下3個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

(1)相變模型的突破：為簡(jiǎn)化計(jì)算，目前端面液膜相變問(wèn)題使用的相變模型，僅僅考慮液膜單獨(dú)出現(xiàn)空化或汽化現(xiàn)象。雖然部分學(xué)者(如YANG等[54]、GAO等[55])已研究了扇型槽機(jī)械密封運(yùn)行時(shí)空化與汽化同時(shí)存在的問(wèn)題，并基于有限體積法提出相應(yīng)的流體模型實(shí)現(xiàn)兩者同時(shí)存在時(shí)的流場(chǎng)分析，但目前該類模型研究不夠完善，還需進(jìn)一步深入研究。

(2)極端工況下動(dòng)壓型機(jī)械密封的穩(wěn)定性運(yùn)行：隨著動(dòng)壓型機(jī)械密封應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，針對(duì)相變問(wèn)題在超低溫、超高溫、高轉(zhuǎn)速、高壓力等極端環(huán)境下導(dǎo)致密封頻繁失效的研究越發(fā)重要，后續(xù)還需進(jìn)一步探索極端工況條件下端面液膜瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)流體變化、相變機(jī)制、泄漏機(jī)制和失穩(wěn)機(jī)制，探究相應(yīng)條件下型槽、工況等參數(shù)對(duì)動(dòng)壓型機(jī)械相變及密封性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)密封穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)密封相變監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展：動(dòng)壓型機(jī)械密封的壓力、溫度、相變直接影響密封性能，而密封性能的好壞往往直接影響到整個(gè)機(jī)械設(shè)備，因此對(duì)密封運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為迫切。目前關(guān)于端面液膜壓力與溫度的監(jiān)測(cè)方式有多種，但針對(duì)液膜相變過(guò)程及相變程度的監(jiān)測(cè)技術(shù)還不成熟，主要是利用溫度等因素從側(cè)面反映相變狀態(tài)。因此相變監(jiān)測(cè)技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展，使得監(jiān)測(cè)技術(shù)可以更直觀、準(zhǔn)確地反映密封運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)。