【摩擦磨損與潤滑】蘭州理工大學丁雪興教授團隊：微孔幾何輪廓對浮環氣膜密封動壓潤滑特性的影響
2024-09-05 12:02:29
作者：王世鵬，丁雪興，丁俊華，張蘭霞，江安迪 來源：表面云社區
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浮環氣膜密封是一種改進的微間隙密封方法，可以在無碰磨情況下使徑向間隙最小化，從而達到降低泄漏量的目的。它具有耐高溫、低泄漏和長壽命等優點，廣泛應用于高速透平機械的軸端密封。隨著科技的高速發展，流體機械設備面臨的工作環境日益苛刻，對密封系統的穩定性和使用壽命提出了更高的要求，因此研究提高密封摩擦副表面潤滑和強化密封效果的理論和技術具有重大意義。蘭州理工大學丁雪興教授團隊以織構化浮環氣膜密封為研究載體，建立動壓潤滑條件下的潤滑理論模型，計算圓形、正方形、橢圓形、三角形4種微織構孔的氣膜流場特性，以氣膜浮升力、泄漏率、氣膜摩擦力和浮漏比為研究目標，重點分析不同轉速、壓力、偏心率對浮環密封性能的影響，試圖發掘不同織構輪廓對提高流體的動壓潤滑特性的潛力，為織構化浮環密封的設計提供理論依據。根據這些規律，可以選擇最適合特定應用需求的微織構孔輪廓，以提高浮環氣膜密封的性能和可靠性。浮環氣膜密封是一種流阻型密封，簡化的密封結構如圖1所示，主要由旋轉軸、軸套、石墨浮環等組成。浮環氣膜密封的密封機理是建立在流體力學基礎上，屬于動力密封。當軸套隨著轉軸高速旋轉時，因軸套外表面開設了大量的微織構孔，且軸套與浮環采用偏心安裝的設計形式，潤滑氣體符合泵吸效應，流入密封間隙，形成了厚度較薄、剛度較大的氣膜。潤滑氣膜的存在實現了密封副的非接觸運行，降低了密封副表面間的碰磨概率，有效延長了密封裝置的使用壽命。
為了研究不同輪廓微織構孔對浮環密封性能的影響規律，對織構化表面浮環氣膜的密封性能進行計算分析。其中，不同織構輪廓下的氣膜厚度分布和氣膜壓力分布的三維示意圖如圖2所示。
轉速對織構化浮環氣膜密封性能的影響規律如圖3所示。觀察圖3a可知，4種幾何輪廓的微織構孔所產生的氣膜浮升力的變化趨勢相同，都呈現出隨著轉速的提高而逐漸增大的趨勢。觀察圖3b可知，隨著轉速的增大，4種幾何輪廓的微織構孔對泄漏率的影響趨勢基本相同，都呈現出逐漸降低的趨勢，但降低幅度較小。觀察圖3c可知，隨著轉速的提高，不同幾何輪廓微織構孔的氣膜摩擦力都呈線性增長，但不同幾何輪廓的微織構孔對氣膜摩擦力的影響并未隨轉速的提高而差異顯著，而是保持相對均衡的狀態。觀察圖3d可知，4種幾何輪廓微織構孔產生的浮漏比從大到小的順序依次為三角形、橢圓形、正方形、圓形。不同幾何輪廓微織構孔的浮升力與泄漏率的比值越大，表示其密封性能越優異。
基于氣膜潤滑理論，建立了表面織構化浮環密封的潤滑模型。利用試驗測試泄漏率的方法驗證了數值計算結果的有效性和正確性，繼而進行了計算結果的對比分析，得出以下結論。1）在氣膜收斂區域，4種不同幾何輪廓的微織構孔均可產生顯著的流體動壓效應，改變了浮環氣膜密封間隙內的氣膜壓力分布，極大地改善了浮環密封的動壓潤滑性能。2）不同幾何輪廓的微織構孔對密封性能參數的影響具有相似的變化規律。轉速、壓力和偏心率的提高均可提高氣膜浮升力。氣體泄漏率隨著壓力和偏心率的增加而迅速升高，隨著轉速的升高而緩慢下降。氣體摩擦力隨著轉速、壓力和偏心率的升高而升高。3）織構化浮環氣膜密封的動壓潤滑性能在很大程度上取決于微織構孔的幾何輪廓。考察相同工況下的不同幾何輪廓的微織構孔對密封性能的影響規律發現，具有三角形輪廓特征的微織構孔在綜合密封性能上表現出最佳效果，其次是橢圓形、正方形，最后是圓形。
該文章發表在《表面技術》第53卷第13期。
引文格式：王世鵬, 丁雪興, 丁俊華, 等. 微孔幾何輪廓對浮環氣膜密封動壓潤滑特性的影響[J]. 表面技術, 2024, 53(13): 139-150.
WANG Shipeng, DING Xuexing, DING Junhua, et al. Effect of Micro-pore Geometric Configuration on Dynamic Lubrication Performance ofFloating Ring Gas Seal[J]. Surface Technology, 2024, 53(13): 139-150.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.014
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