王 衍 ,謝雪非 ,何一鳴 ,黃周鑫 ,徐 慧 ,柴代澤 ,楊懷石

(1.江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005;2.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院,江蘇 連云港 222005)

現(xiàn)代工業(yè)水平迅速發(fā)展導(dǎo)致的生產(chǎn)裝置大型化與高度集成化，凸顯出生產(chǎn)裝備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的重要性.對(duì)裝備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約的要求，使得流體密封技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)[1-2].

根據(jù)工作原理的不同，流體密封可分為流體靜密封和動(dòng)密封兩大類.前者是指2個(gè)相對(duì)靜止零件接合面間的密封，后者是指2個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件接合面間的密封.流體動(dòng)密封是工業(yè)裝備中主要使用的密封形式，按工作時(shí)密封端面間是否存在承載流體，流體動(dòng)密封主要分為接觸式(機(jī)械密封、填料密封和唇形密封等)，非接觸式(間隙密封、迷宮密封、氣膜密封、離心密封和螺旋密封等)及其他形式(刷式密封、磁流體密封和指尖密封等)[3-4].其中，非接觸式流體密封不存在固相直接接觸，磨損小、壽命長(zhǎng)，主要依賴節(jié)流效應(yīng)或動(dòng)壓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)密封，已作為先進(jìn)密封技術(shù)用于壓縮機(jī)、汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高端裝備[5].但是此類密封是靠動(dòng)力元件產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)工作的，對(duì)主軸轉(zhuǎn)速有較大依賴，當(dāng)速度較低或停車時(shí)，密封能力消失，往往需要輔以停車密封，進(jìn)而使得整個(gè)密封結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜.密封裝置的工作性質(zhì)及裝配位置，決定了失效后的維修工作非常繁瑣.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日常的機(jī)器設(shè)備使用和維修中，密封部分幾乎占到設(shè)備維修總量的40%～50%[6]，離心泵的維修費(fèi)大約有70%用于處理密封故障，嚴(yán)重的密封失效甚至?xí)鹨兹?、易爆及有害介質(zhì)大量泄漏而釀成事故[7].因此，在滿足密封要求的同時(shí)，如何提高密封的使用壽命及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低維修周期及簡(jiǎn)化密封系統(tǒng)，對(duì)于密封技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義.

面對(duì)傳統(tǒng)接觸式流體密封功耗大、高工況場(chǎng)合適應(yīng)性差以及非接觸式流體密封輔助系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)成本高等問題，啟發(fā)于特斯拉閥的被動(dòng)式流體控制原理及單向?qū)ㄌ匦?，本文中提出將這種結(jié)構(gòu)從平面流動(dòng)擴(kuò)展至三維管狀通道流動(dòng)，將單向?qū)ㄉ?jí)用于單向(高壓側(cè)至低壓側(cè))泄漏抑制.旨在通過對(duì)密封通道的宏觀重構(gòu)，揭示被動(dòng)式流體阻塞機(jī)制，突破傳統(tǒng)流體密封無(wú)法兼顧非接觸和簡(jiǎn)約性結(jié)構(gòu)的矛盾束縛，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)零磨損、低泄漏的新型密封開辟新方向.

1 技術(shù)背景

1.1 典型密封結(jié)構(gòu)

機(jī)械密封作為接觸式流體密封的典型代表，也是工業(yè)用動(dòng)密封的主要型式，廣泛應(yīng)用于電力、船舶和石油化工等領(lǐng)域，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示.可以看出，機(jī)械密封主要依靠動(dòng)靜環(huán)緊密貼合來(lái)阻塞介質(zhì)的泄漏，輔助動(dòng)靜環(huán)的還有彈簧、彈簧座、緊定螺釘、密封圈和防轉(zhuǎn)銷等零件.

Fig.1 Schematic diagram of mechanical seal structure圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

非接觸式機(jī)械密封的典型結(jié)構(gòu)與圖1中相似，不同之處主要在于密封環(huán)端面是否開有動(dòng)壓槽.在動(dòng)環(huán)或靜環(huán)上開槽都可以，一般選擇開在兩環(huán)中較耐磨的環(huán)上，且多沿環(huán)的外徑側(cè)開槽，沿內(nèi)徑側(cè)開槽多用于泵送類密封.除了包含以上基本構(gòu)件外，非接觸式機(jī)械密封還包括停車密封、供氣/液系統(tǒng)以及氣液過濾/回收系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.

1.2 特斯拉閥結(jié)構(gòu)及工作原理

特斯拉閥是由科學(xué)家尼古拉·特斯拉提出且以自己名字命名的1種單向?qū)ㄩy，于1920年申請(qǐng)了發(fā)明專利[8].該閥體結(jié)構(gòu)無(wú)任何活動(dòng)部件，僅利用空間結(jié)構(gòu)推動(dòng)流體流動(dòng)，無(wú)需輸入能量即可實(shí)現(xiàn)流體的單向?qū)╗9-10].如圖2所示，流體正向流動(dòng)與反向流動(dòng)差別巨大，正向流動(dòng)時(shí)，流體能夠繞過所有翼狀障礙暢通無(wú)阻地從右邊流至左邊，并且因流動(dòng)壓力可獲得加速效果；但當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)，每經(jīng)過1個(gè)通道，就要向上/下進(jìn)入1個(gè)翼狀障礙，在彎管與水平管道交匯處形成劇烈的沖擊阻塞效應(yīng)，使得內(nèi)部能量、流速和壓力等被消耗.翼狀障礙越多，流體向前推進(jìn)的阻力越大，造就了特斯拉閥獨(dú)特的單向?qū)ㄐЧ?特斯拉本人給出1個(gè)概念：假設(shè)流體經(jīng)過第1個(gè)翼狀障礙后的泄漏用分?jǐn)?shù)1/X表示，在經(jīng)過第n個(gè)翼狀障礙后，泄漏僅為(1/X)n，很明顯，X不需要很大的數(shù)字，即可確保1個(gè)近乎完美的閥門節(jié)流行為.

Fig.2 Schematic diagram of the Tesla valve圖2 特斯拉閥原理圖

雖然特斯拉閥提出時(shí)間較早，在微尺度上有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，關(guān)于其研究的文獻(xiàn)較少，這一巧妙結(jié)構(gòu)真正得到重視和應(yīng)用僅在最近幾年.2003年，Truong等[11]提出了1種綜合優(yōu)化方法，首次實(shí)現(xiàn)了特斯拉閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的完整設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化.2005年，Gamboa等[12]進(jìn)一步采用6個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)變量對(duì)特斯拉閥進(jìn)行了幾何優(yōu)化，使得流阻力比提高25%，得到了單向?qū)ㄐ首罡叩腉MF型特斯拉閥.2011年，Thompson等[13]嘗試將特斯拉閥結(jié)構(gòu)用于平板振蕩熱管(FP -OHP)的止回閥設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以有效促進(jìn)所需循環(huán)流量，較傳統(tǒng)止回閥始終具有更低的熱阻(降阻約15%～25%).接著，Thompson等[14]又對(duì)多級(jí)特斯拉止回閥進(jìn)行了三維數(shù)值研究，結(jié)果表明，多級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的單向?qū)ㄐ?，且隨雷諾數(shù)的增大，效率提升更加顯著.2014年，Wang等[15]將特斯拉閥結(jié)構(gòu)用于微型混合器并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，特斯拉閥混合器在低雷諾數(shù)下具有更低的壓降和更高的混合性能，更加適用于現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)芯片和化學(xué)反應(yīng)器中.2017年，Vries等[16]在特斯拉閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，成功設(shè)計(jì)了1種新型脈動(dòng)熱管(PHP)閥，顯著促進(jìn)了管內(nèi)流體循環(huán)并使熱阻效率有效降低14%.2018年，Porwal等[17]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD,Computational fluid dynamics)方法數(shù)值分析了進(jìn)口雷諾數(shù)對(duì)單級(jí)和多級(jí)特斯拉閥整流和熱增強(qiáng)能力的影響，結(jié)果表明，采用特斯拉閥門作為小型或微型熱交換器、熱敏二極管或止回閥時(shí)，可以有效提升熱/流量控制效率.2018年開始，浙江大學(xué)錢錦遠(yuǎn)等[18-20]對(duì)特斯拉閥進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明特斯拉閥在離子流動(dòng)尺度仍然適用，并將該結(jié)構(gòu)成功用于氫燃料電池的氫減壓過程，提出的多級(jí)反流狀態(tài)特斯拉閥門具有良好的減壓效果.2020年，Abdelwahed等[21]采用拓?fù)涮荻葦?shù)值優(yōu)化算法對(duì)二維特斯拉微閥進(jìn)行了重構(gòu)，該算法可以有效提高特斯拉閥流域攝動(dòng)函數(shù)的靈敏度.同年，Wahidi等[22]將改進(jìn)的特斯拉閥用于超臨界CO2自然循環(huán)回路中，結(jié)果表明，改進(jìn)的特斯拉閥可以更好地穩(wěn)定超臨界壓力和熱輸入，而且在不降低傳熱性能的情況下，還可以緩解溫度和速度振蕩.

以上研究表明，特斯拉閥這一巧妙結(jié)構(gòu)已日益引起各領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注和濃厚興趣，在諸多設(shè)備上的應(yīng)用也都具有顯著效果.根據(jù)這一結(jié)構(gòu)反向流動(dòng)時(shí)的逐級(jí)節(jié)流特性，理論上可建立起阻塞密封功能.

1.3 新型密封結(jié)構(gòu)及工作原理

特斯拉閥的被動(dòng)式流體控制原理及其內(nèi)部流體產(chǎn)生的沖擊阻塞形式，導(dǎo)致這一閥型的單向?qū)ㄌ匦?，依?jù)這一特點(diǎn)，嘗試將這種結(jié)構(gòu)從平面流動(dòng)擴(kuò)展至三維管狀通道形式的新型密封結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)部件組成十分簡(jiǎn)潔，除了轉(zhuǎn)動(dòng)軸及其連接部分外，不含有其他額外活動(dòng)部件，主要包括1-外環(huán)、2-懸柱、3-鍵、4-內(nèi)環(huán)和5-軸.內(nèi)環(huán)通過鍵等直接置于軸套或軸上并隨之旋轉(zhuǎn)，外環(huán)可以直接依托密封端蓋或殼體固聯(lián)不動(dòng)，懸柱可通過內(nèi)置螺釘和雙頭螺柱等形式分別固定于內(nèi)環(huán)或外環(huán)上.

Fig.3 Three-dimensional tubular new sealing structure diagram圖3 三維管狀新型密封結(jié)構(gòu)圖

類似于平面特斯拉閥的翼狀通道，規(guī)定1個(gè)懸柱與對(duì)應(yīng)的內(nèi)外環(huán)部分組成的空間為1個(gè)密封級(jí)，出、入口端分別為大氣側(cè)及密封介質(zhì)高壓側(cè)，之間三維特斯拉閥狀通道為反向布置，高壓介質(zhì)通過入口進(jìn)入后會(huì)被逐級(jí)阻流、降壓，理論上當(dāng)級(jí)數(shù)足夠多，壓降至與大氣壓一致時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)的單向泄漏抑制.

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型

圖3所示的結(jié)構(gòu)存在明顯弊端，其內(nèi)外環(huán)及懸柱等三大件集成和安裝存在干涉問題，鑒于此，提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，該結(jié)構(gòu)密封級(jí)間為階梯狀連接，由裝配關(guān)系決定懸柱置于內(nèi)環(huán)或外環(huán)上(外環(huán)部位懸柱需為剖分式)，可以實(shí)現(xiàn)軸向裝配.軸向截面尺寸如圖4(b)所示，每個(gè)密封級(jí)尺寸相同，左側(cè)為入口，右側(cè)為出口.密封級(jí)結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)半徑R、標(biāo)準(zhǔn)流距L及分流角α等參數(shù)決定，回轉(zhuǎn)半徑可以決定內(nèi)置懸柱的尺寸，標(biāo)準(zhǔn)流距主要影響密封級(jí)數(shù)的整體布置緊湊度，通過調(diào)整分流角可以實(shí)現(xiàn)密封級(jí)徑向和軸向布置效率的改變，密封級(jí)R、L和α三者存在互相制約的關(guān)系.h為密封間距，根據(jù)內(nèi)外環(huán)及懸柱尺寸及固定位置可形成既定間隙.

Fig.4 Step-type new sealing physical model圖4 階梯型新型密封物理模型

此外，實(shí)際裝配過程中還應(yīng)考慮部件間的定位和精度保證，以確保新型密封對(duì)結(jié)構(gòu)精度的要求.后續(xù)實(shí)際使用時(shí)為避免介質(zhì)結(jié)焦、結(jié)垢和結(jié)晶等對(duì)流道的填塞，還應(yīng)確保介質(zhì)的潔凈和流道的暢通等問題.

2.2 基本參數(shù)

新型密封基本參數(shù)列于表1中，對(duì)部分參數(shù)的區(qū)間范圍作了限定，需要在相對(duì)不變量的前提下進(jìn)行系統(tǒng)研究.右側(cè)設(shè)定的相對(duì)不變量，為研究某一具體參數(shù)變化規(guī)律時(shí)其他參數(shù)的具體取值.

表1 新型密封幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of the new sealing

2.3 流動(dòng)損失

2.3.1 壓頭損失

密封的泄漏由壓差造成，壓差(ΔP)與系統(tǒng)的壓頭損失密切相關(guān).根據(jù)流體力學(xué)基本原理[23]，新型密封的壓頭損失主要包括沿程損失hf和局部損失hj：

其中，ρ為介質(zhì)密度；g為重力加速度.

根據(jù)特斯拉閥單項(xiàng)導(dǎo)通特性，新型密封的局部損失要遠(yuǎn)大于沿程損失，沿程損失主要指各級(jí)間沿標(biāo)準(zhǔn)流距L處的損失，根據(jù)沿程損失計(jì)算方法[24]，可表示如下：

其中，λ為沿程阻力系數(shù)，由雷諾數(shù)確定；De為當(dāng)量直徑，對(duì)于同心縫隙取De=2h；v為平均流速，分別對(duì)應(yīng)路徑取值.

圖5所示為單節(jié)密封截面示意圖，由圖5可以看出，局部損失由彎管和三通損失構(gòu)成.流動(dòng)路徑包括L1和L2這2條支路，局部損失需分路徑具體分析，流經(jīng)L1的流體，局部損失由1處彎管結(jié)構(gòu)C1和2處三通結(jié)構(gòu)T1及T2產(chǎn)生；流經(jīng)L2的流體，局部損失由2處三通結(jié)構(gòu)T1和T2產(chǎn)生，如式(3)所示.

Fig.5 Flow diagram圖5 流動(dòng)示意圖

其中，ζ為各路徑局部阻力系數(shù)，下標(biāo)L1、L2、C1、T1和T2分別代表對(duì)應(yīng)值.可以看出，單節(jié)密封級(jí)的局部阻力系數(shù)Kj為路徑L1和L2上的并聯(lián)和，單節(jié)阻力系數(shù)為局部阻力系數(shù)Kj和沿程阻力系數(shù)λ的串聯(lián)和.由于沿程阻力系數(shù)λ是隨雷諾數(shù)的變量，對(duì)整個(gè)密封的綜合阻力系數(shù)K計(jì)算表達(dá)式如下：

各路徑局部阻力系數(shù)可參考流體力學(xué)中各類三通結(jié)構(gòu)進(jìn)行取值，并列于表2中.鑒于新型密封的級(jí)數(shù)Z多是成對(duì)增加的，表2計(jì)算并列出了各偶數(shù)密封級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)的局部阻力系數(shù).

表2 不同路徑及密封級(jí)對(duì)應(yīng)局部阻力系數(shù)[25]Table 2 Different paths and sealing stages correspond to local resistance coefficients

2.3.2 泄漏損失

新型密封流場(chǎng)類似于間隙密封，實(shí)際為同心環(huán)形縫隙流動(dòng)的1種，可視作平板流動(dòng)的延伸[26].如圖6所示，由于新型密封包含旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，以vx表示沿x向切向速度，vy表示軸向速度，Bi、l和h分別對(duì)應(yīng)新型密封周向、軸向和徑向尺寸.通過簡(jiǎn)化Navier-Stokes方程并在z向2次積分，可得速度矢量.運(yùn)用速度分解定律，即可得出軸向速度微分形式，積分后所得表達(dá)式如下：

Fig.6 Schematic diagram of plate flow圖6 平板流動(dòng)示意圖

其中，μ為流體動(dòng)力黏度；h為密封間距.

以任意節(jié)(假設(shè)Z=i)特斯拉閥為研究對(duì)象，取微元面積Bidz，如圖6所示.沿z=0至h積分，可得到單節(jié)泄漏率，求和所有密封級(jí)，即可建立整體泄漏率(Qo)表達(dá)式如下：

其中，Qi為第i級(jí)出口泄漏率；Bi為第i級(jí)的水平出口外壁截面周長(zhǎng)；vxi為第i級(jí)沿x向切向速度；ΔPi為第i級(jí)壓頭損失.

Groddeck[27]通過Yamada[28]的試驗(yàn)結(jié)果表明，層流時(shí)壁面旋轉(zhuǎn)幾乎不會(huì)影響流體介質(zhì)的通流過程，甚至不影響可壓縮介質(zhì)的通流過程.當(dāng)流體為湍流時(shí)，Groddeck進(jìn)一步給出了考慮旋轉(zhuǎn)剪切的泄漏計(jì)算公式：

其中，vx和vy取做流動(dòng)管道的平均值.令Q=0，可分別解出：

(1) 無(wú)泄漏間距越大，說明在較大間距下即可實(shí)現(xiàn)理想密封效果，越容易實(shí)現(xiàn)密封，密封能力相對(duì)越強(qiáng)，反之亦然；

(2) 無(wú)泄漏壓差越大，表明可在較高壓力下實(shí)現(xiàn)理想密封效果，密封能力相對(duì)越強(qiáng)，反之亦然.

2.4 三維管狀泄漏通道模型

建立如圖7所示三維階梯型新型密封流道模型，依據(jù)裝配關(guān)系，左邊為介質(zhì)高壓入口側(cè)，右邊為大氣低壓側(cè).為準(zhǔn)確獲得新型密封的各項(xiàng)性能指標(biāo)，選擇全尺寸建模，降低局部建模對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響.

Fig.7 Step-type new sealing flow channel model圖7 階梯型新型密封流道模型

3 仿真模擬

3.1 基本假設(shè)

鑒于特斯拉閥結(jié)構(gòu)適宜低黏度流體[29]，密封介質(zhì)選擇空氣，研究新型密封工作機(jī)制還需要對(duì)不同工況和不同幾何參數(shù)下的密封性能作系統(tǒng)研究.為便于解決問題，對(duì)新型密封流道模型作如下假設(shè)：

(1) 三維管狀通道間的流體為連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)[30]；

(2) 流場(chǎng)中的氣體為常溫和常黏度介質(zhì)[31]；

(3) 流場(chǎng)內(nèi)潤(rùn)滑層管道壁面緊密吸附，無(wú)滑移產(chǎn)生；

(4) 忽略密封通道變形對(duì)流體流動(dòng)的影響；

(5) 不計(jì)氣體慣性力的影響；

(6) 運(yùn)行過程中管道間隙不變，管道表面理論光滑.

3.2 控制方程及求解

本文中采用ANSYS開發(fā)的Fluent軟件對(duì)三維管狀新型密封進(jìn)行數(shù)值模擬，該結(jié)構(gòu)為三維管流算例.定常不可壓縮流體的控制方程可表示為如下通用形式：

其中，ρ為流體密度，φ為求解變量，u，v和w分別為軸向、徑向和切向流體流動(dòng)速度，Γφ為擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為源項(xiàng).

邊界條件采用強(qiáng)制性壓力邊界條件，入口處：p=Pin(介質(zhì)壓力)；出口處：p=Po(大氣壓).新型密封流體行為是典型的內(nèi)部及強(qiáng)曲率分離流動(dòng)，屬于湍流流場(chǎng).本文中選用Fluent軟件中的湍流模型(動(dòng)能-耗散率，k-ω)進(jìn)行求解，其優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算該類流場(chǎng)時(shí)不會(huì)忽略近壁處緩沖區(qū)的流動(dòng)，可以較精確地計(jì)算逆壓梯度和強(qiáng)曲率流場(chǎng)[32].采用SIMPLE算法進(jìn)行亞松弛迭代計(jì)算，通過中心差分對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)離散，對(duì)流項(xiàng)計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式，連續(xù)方程和動(dòng)量方程的迭代精度設(shè)為10-5，能量方程的迭代精度設(shè)為10-6.

3.3 網(wǎng)格劃分

采用UG軟件對(duì)新型密封進(jìn)行全尺寸建模，然后導(dǎo)入Fluent meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以通過對(duì)Surface Mesh Controls系列參數(shù)(Min size，Max size，Growth及Cells per gap等)的整體控制和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分及局部加密，網(wǎng)格效果如圖8(a)所示.以泄漏率為指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖8(b)所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到700萬(wàn)以后計(jì)算結(jié)果基本趨于穩(wěn)定，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分可以兼顧計(jì)算效率和精度的要求.

Fig.8 Mesh generation圖8 網(wǎng)格劃分

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 流場(chǎng)特性

圖9(a)和圖9(b)所示分別為不同級(jí)數(shù)位置對(duì)應(yīng)的壓力云圖和速度云圖，并對(duì)流體流動(dòng)的交匯區(qū)進(jìn)行了局部放大.可以看出，在交匯區(qū)都可以觀察到明顯的壓力和速度波動(dòng)，局部流動(dòng)由于流體間的沖撞和分叉流等變得不穩(wěn)定.氣體由高壓端入口進(jìn)入后，壓力和流速都呈逐級(jí)降低的趨勢(shì)，表明氣體進(jìn)入后通過逐級(jí)節(jié)流，壓差可能造成的速度升高也逐漸被節(jié)流效果抵消和抑制.此外，在匯集夾角處還產(chǎn)生了二次流現(xiàn)象，這些都造成了能量的損失，進(jìn)而使壓力和速度降低，有利于密封功能的實(shí)現(xiàn).

Fig.9 Flow field characteristics(h=0.3 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=8,T=300 K)圖9 流場(chǎng)特性(h=0.3 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=8,T=300 K)

4.2 流體性質(zhì)對(duì)密封性能的影響

4.2.1 介質(zhì)密度

圖10所示為介質(zhì)密度對(duì)密封性能的影響規(guī)律，可以看出，介質(zhì)密度對(duì)無(wú)泄漏間距和無(wú)泄漏壓力基本沒有影響，泄漏率隨介質(zhì)密度的增大呈緩慢降低趨勢(shì)，表明新型密封較適于高密度介質(zhì).綜合而言，新型密封對(duì)介質(zhì)密度屬性敏感度較低，對(duì)較高密度介質(zhì)的適應(yīng)性稍好.

Fig.10 Effects of medium density on sealing performance圖10 介質(zhì)密度對(duì)密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.2.2 介質(zhì)黏度

如圖11所示，與介質(zhì)密度的影響特點(diǎn)不同，介質(zhì)黏度對(duì)密封性能有顯著影響.泄漏率隨介質(zhì)黏度的增大呈顯著降低趨勢(shì)，而無(wú)泄漏間距和無(wú)泄漏壓力則隨介質(zhì)黏度的增大而增大.泄漏率隨介質(zhì)黏度的變化可直接說明新型密封適于高黏度介質(zhì)流動(dòng)，再參考無(wú)泄漏間距和無(wú)泄漏壓力可知：較高的介質(zhì)黏度一方面可以降低新型密封的泄漏率，同時(shí)也能在一定程度上提高無(wú)泄漏間距和無(wú)泄漏壓力，進(jìn)而提高密封綜合性能.綜上可見，新型密封對(duì)高黏度介質(zhì)下的流體流動(dòng)密封效果最好，也最容易實(shí)現(xiàn).

Fig.11 Effects of medium viscosity on sealing performance圖11 介質(zhì)黏度對(duì)密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.3 工況參數(shù)對(duì)密封性能的影響

4.3.1 介質(zhì)壓力

如圖12所示，介質(zhì)壓力對(duì)密封性能參數(shù)影響較大，隨著介質(zhì)壓力的升高，泄漏率和無(wú)泄漏間距分別呈顯著增大和降低趨勢(shì)，無(wú)泄漏壓力根據(jù)模型的定義與壓力變化無(wú)關(guān).無(wú)泄漏間距隨介質(zhì)壓力的升高呈降低趨勢(shì)，這一現(xiàn)象說明：其他工況條件不變的情況下，壓力越高，新型密封泄漏率越大，理論上需要更小的密封間隙才能實(shí)現(xiàn)新型密封的抑漏功能，側(cè)面也說明了通過減小密封間隙可以降低泄漏.

Fig.12 Effects of medium pressure on sealing performance圖12 介質(zhì)壓力對(duì)密封性能的影響(h=0.1 mm,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.3.2 轉(zhuǎn)速

如圖13所示，轉(zhuǎn)速由5 000 r/min增至50 000 r/min，密封泄漏率基本沒有變化，無(wú)泄漏間距和無(wú)泄漏壓力則隨轉(zhuǎn)速的增大基本呈線性上升趨勢(shì)，以上規(guī)律說明轉(zhuǎn)速的增大有利于新型密封在較大間距和壓力下實(shí)現(xiàn)零泄漏.由圖13還可以看出，泄漏率具有不隨轉(zhuǎn)速升高而增大的趨勢(shì)，這一特性是新型密封區(qū)別于多數(shù)機(jī)械密封的主要特點(diǎn)，也是此類新型密封結(jié)構(gòu)不依賴主軸轉(zhuǎn)速、適于低速甚至停機(jī)運(yùn)行工況的理論基礎(chǔ).

Fig.13 Effects of rotation speed on sealing performance圖13 轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,Z=10,T=300 K)

4.4 幾何參數(shù)對(duì)密封性能的影響

4.4.1 密封間距

如圖14所示，泄漏率隨密封間距的增大幾乎呈線性增大的趨勢(shì)，密封間距實(shí)際為新型密封三維管道寬度，間距的增大實(shí)際就是泄漏通道的增大，是泄漏率迅速升高的主要原因.無(wú)泄漏間距根據(jù)模型的定義與間距變化無(wú)關(guān)，而無(wú)泄漏壓力隨密封間距的增大呈先迅速降低后緩慢下降趨勢(shì)，驗(yàn)證了上文中對(duì)通過減小密封間距降低泄漏率的分析判斷，由圖14可以看出，此工況下對(duì)應(yīng)的臨界密封間距約為h=0.2 mm，說明密封間距高于臨界值時(shí)通過減小密封間距來(lái)降低泄漏率的效率最高，當(dāng)密封間距低于臨界值時(shí)，采取這一方式的效率不高，且過小的密封間距不利于密封的穩(wěn)定運(yùn)行.

Fig.14 Effects of seal spacing on sealing performance圖14 密封間距對(duì)密封性能的影響(Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.4.2 密封級(jí)數(shù)

密封級(jí)數(shù)實(shí)際為新型密封的阻流單元個(gè)數(shù)，如圖15所示，隨著級(jí)數(shù)的增大，泄漏率持續(xù)降低，而無(wú)泄漏間距和無(wú)泄漏壓力都隨密封級(jí)數(shù)的增大而增大.無(wú)泄漏間距的增大，說明密封級(jí)數(shù)較多時(shí)，采用較大的密封間隙即可實(shí)現(xiàn)較好的密封效果；無(wú)泄漏壓力的增大，說明密封級(jí)數(shù)較多時(shí)可以在較高壓力下實(shí)現(xiàn)密封功能.可見，密封級(jí)數(shù)越多，新型密封的高壓適用能力越好，密封也相對(duì)容易，但密封級(jí)數(shù)的增大同時(shí)也會(huì)造成密封尺寸的增加，對(duì)密封空間有較高要求.所以，應(yīng)在盡量滿足密封要求的前提下采用較少的密封級(jí)數(shù)，使密封結(jié)構(gòu)更加緊湊.

Fig.15 Effects of seal series on sealing performance圖15 密封級(jí)數(shù)對(duì)密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,T=300 K)

4.4.3 分流角

分流角可以決定新型密封三維管道的內(nèi)部形狀，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12,33]，平面特斯拉閥的最佳分流角約為45°～48°.如圖16所示，無(wú)泄漏間距隨分流角的增大而降低，說明隨著分流角的增大，需要更小的間距才能實(shí)現(xiàn)理論零泄漏；無(wú)泄漏壓力隨分流角的增大而降低，說明隨著分流角的增大，只能在相對(duì)更低壓力下才能實(shí)現(xiàn)理論零泄漏.而泄漏率則隨分流角的變化有一定的起伏變化，約在48°左右維持較低泄漏水平.綜合考慮泄漏率、無(wú)泄漏間距及速度因素，對(duì)新型密封分流角的選擇與平面特斯拉閥一致，亦在45°～48°間選擇為宜.

Fig.16 Effects of shunt angle on sealing performance圖16 分流角對(duì)密封性能的影響(h=0.1 mm,Pin=0.2 MPa,N=20000 r/min,Z=10,T=300 K)

4.5 新型密封標(biāo)準(zhǔn)泄漏設(shè)計(jì)與計(jì)算

實(shí)現(xiàn)新型密封的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)使新型密封在一定壓差和轉(zhuǎn)速條件下滿足泄漏標(biāo)準(zhǔn)要求，為此，以干氣密封技術(shù)條件[34]中壓縮機(jī)用干氣密封的動(dòng)態(tài)泄漏率指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新型密封進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，并列于表3中.

表3 壓縮機(jī)干氣密封件的動(dòng)態(tài)泄漏率，Qmin/(m3/h)Table 3 Dynamic leakage rate of dry gas seal for compressor,Qmin/(m3/h)

上述階梯型密封存在出口泄漏面積隨級(jí)數(shù)增大而增大的問題，為解決這一矛盾，同時(shí)考慮裝拆問題，首先將階梯式通道作對(duì)稱設(shè)計(jì)，如圖17所示，對(duì)稱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)出入口界面橫截面積一致.進(jìn)一步將密封外環(huán)設(shè)計(jì)成可通過螺栓連接的兩部分，中間采用密封圈密封，內(nèi)外環(huán)3個(gè)部分的裝配可依次完成.

Fig.17 Symmetrical sealing structure圖17 對(duì)稱密封結(jié)構(gòu)

具體幾何參數(shù)參考表1，N=10000 r/min，D=60 mm，P=0.2 MPa，根據(jù)表3中的級(jí)數(shù)條件，對(duì)應(yīng)的泄漏標(biāo)準(zhǔn)Qmin=0.35 m3/h.由前文中的研究結(jié)果可知，通過調(diào)節(jié)密封間距和密封級(jí)數(shù)可有效控制泄漏，圖18所示為1個(gè)大氣壓力差下，不同級(jí)數(shù)時(shí)的對(duì)稱式密封結(jié)構(gòu)泄漏率對(duì)應(yīng)不同密封間距的計(jì)算結(jié)果.可以看出，級(jí)數(shù)越多，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)泄漏時(shí)對(duì)應(yīng)的密封間距越大，通過數(shù)據(jù)擬合，密封級(jí)數(shù)Z為4、8和12時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)泄漏臨界密封間距h分別為0.024、0.026和 0.030 mm(差值計(jì)算結(jié)果)，遠(yuǎn)高于干氣密封氣膜條件(0.002～0.005 mm)，這一優(yōu)勢(shì)可大幅降低密封副接觸概率，對(duì)提升密封穩(wěn)定性意義重大.

Fig.18 Parameter conditions under standard leakage requirements圖18 標(biāo)準(zhǔn)泄漏要求下的參數(shù)條件

5 結(jié)論

a.基于被動(dòng)式流體阻塞原理及特斯拉閥結(jié)構(gòu)，對(duì)微觀密封通道進(jìn)行三維宏觀重構(gòu)，建立了新型密封結(jié)構(gòu)模型.新型密封通過近毫米級(jí)三維管狀流場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)一定工況下的非接觸式密封，且內(nèi)外環(huán)實(shí)際為剛性固定，可大幅提升密封副抵御軸向/徑向振動(dòng)的能力.

b.新型密封適用于高密度和高黏度介質(zhì)工況，隨著密度和黏度增加，泄漏率略有下降；新型密封受主軸轉(zhuǎn)速和分流角影響較小，介質(zhì)壓力P、密封間距h及密封級(jí)數(shù)Z等對(duì)密封性能影響較大，可通過降低密封間距、增加級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)既定密封效果.

c.以干氣密封技術(shù)條件為泄漏標(biāo)準(zhǔn)與新型密封進(jìn)行對(duì)比，相同工況下，新型密封較干氣密封可以在十幾倍甚至幾十倍密封間距下實(shí)現(xiàn)等同泄漏，這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于進(jìn)一步提升非接觸式密封穩(wěn)定性具有重要意義.