基于FLUENT的葉形微孔織構(gòu)密封性能分析

0引言

機械密封作為工業(yè)設(shè)備中不可或缺的部件,其端面的性能直接影響到設(shè)備的工作效率和使用壽命。傳統(tǒng)機械密封端面存在潤滑不良、泄漏嚴重等問 題,表面織構(gòu)作為一種新型的表面處理技術(shù),通過微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計,可以改善機械密封端面的潤滑性能、泄漏量和承載能力,為機械密封的性能提升提供了新的思路和途徑。

近年來,表面織構(gòu)化技術(shù)在改善機械密封端面性能方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。劉明朗等^[1]指出在摩擦表面制備適當(dāng)參數(shù)的激光表面織構(gòu),可以降低摩擦系數(shù)、減少磨損及提高承載力。魏偉等^[2]提出了一種復(fù)合槽孔織構(gòu)類型,通過對比發(fā)現(xiàn)復(fù)合槽孔織構(gòu)可實現(xiàn)較小的泄漏量和良好的承載力及液膜剛度。李茂元等^[3]建立了均勻分布的等腰三角形微孔的密封端面理論模型,利用有限差分法對流體動壓潤滑方程進行求解,獲得了密封端面無量綱壓力分布。楊笑等^[4]研究了微孔織構(gòu)機械密封在熱彈流潤滑狀態(tài)下的性能,結(jié)果表明,在穩(wěn)定狀態(tài)下,端面開三角形織構(gòu)的機械密封能夠獲得最大液膜承載比和最小表面系數(shù),性能最優(yōu)。謝尚翔等^[5]通過實驗研究了橢圓微孔機械密封端面的低速摩擦磨損性能。章亦聰?shù)?sup>[6]利用數(shù)值模擬方法考察了萊洛三角形微孔織構(gòu)化端面的密封性能。丁少鵬等^[7]指出表面微孔結(jié)構(gòu)能在剪切作用下誘發(fā)流體產(chǎn)生附加動壓效應(yīng),提升流體膜承載能力,促使摩擦配合端面間維持流體潤滑,改善摩擦性能。耿軍等^[8]提出了一種正多邊形表面織構(gòu),研究了正多邊形織構(gòu)對機械密封性能的影響規(guī)律。于博等^[9]研究了潤滑介質(zhì)的非牛頓流變特性對表面織構(gòu)型端面機械密封性能的影響,探討了橢圓、菱形、圓形和方形等不同形狀織構(gòu)孔于不同冪律指數(shù)下機械密封端面的膜壓特性、泵送回流特性和承載性能。楊天佑等^[10]研究了正五邊形—橢圓形復(fù)合微孔對機械密封性能的影響,研究結(jié)果表明復(fù)合微孔化端面具有良好的密封性能。本文中,筆者將利用FLUENT軟件對一種葉形微孔織構(gòu)的密封性能進行研究。

1理論模型及相關(guān)參數(shù)

1.1 幾何模型

密封環(huán)是機械密封的核心部件,其由動、靜環(huán)組成,密封環(huán)截面示意圖如圖1所示。

葉形微孔織構(gòu)開設(shè)在動環(huán)的端面上,由于密封端面具有周期對稱性,在該端面上形成的液膜也具有一樣的特性,為了提高計算效率,故選取模型的1/24進行計算,葉形微孔織構(gòu)示意圖如圖2所示,葉形微孔偏轉(zhuǎn)角度為α,本文中初始偏轉(zhuǎn)角度為30°。

1.2 數(shù)學(xué)模型

文中構(gòu)成葉形微孔的邊緣型線為笛卡兒葉形線,其極坐標方程為:

式中:r為極半徑;θ為極角;b為常數(shù),其值能控制葉形面積,本文取為0.43。

雷諾方程的求解十分復(fù)雜,為簡化計算作出如下假設(shè):密封端面間流體為穩(wěn)態(tài),不考慮流體重力;流體膜的粘度、密度在膜厚方向上一致;流體為不可壓縮流體,密度不隨壓力和溫度的變化而變化。經(jīng)簡化后,極坐標下的雷諾方程表達式為:

式中:ρ為流體密度;h為流體膜厚度;μ為密封流體的動力粘度;p為流體膜的壓力;w為角速度。

流體的局部膜厚為:

式中:A1為無微孔織構(gòu)區(qū)域;A2為微孔織構(gòu)區(qū)域。對液膜的內(nèi)外徑施加如下邊界條件:

式中:pi為液膜外徑處入口壓力;po為液膜內(nèi)徑處出口壓力。

聯(lián)立方程(1)~(4)即可求得液膜的壓力分布。周期性邊界條件滿足下式:

式中:θ1、θ2為單周期液膜圓周方向的起始角度與終止角度;z為直角坐標系下的豎坐標;T為周期數(shù),即整個液膜模型被分為T份。

液膜的開啟力和泄漏率可由式(6)(7)得到:

式中:F為開啟力;A為密封端面面積;Q為泄漏率。

開漏比I是開啟力和泄漏率的比值,由式(8)計算:

液膜剛度Kz由下式計算:

1.3模型參數(shù)和工況參數(shù)

模型參數(shù)和工況參數(shù)如表1和表2所示。

2 結(jié)果計算與討論

2.1 葉形微孔織構(gòu)液膜壓力分布

液膜入口壓力為0.5 Mpa、出 口壓力為0.1 Mpa、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min(逆時針方向旋轉(zhuǎn))時的壓力云圖如圖3所示。從圖3中可以看到壓力在葉形織構(gòu)的尖端處匯聚,壓力峰值高于壓力入口處壓力。從總體上看,內(nèi)徑至外徑處壓力在逐漸升高,其原因是外徑處的線速度高,產(chǎn)生的動壓效應(yīng)更為明顯。

2.2壓差對密封性能的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、膜厚為2μm、葉形微孔織構(gòu)深度為3μm時,保持液膜出口壓力為0.1 Mpa,改變液膜入口壓力即可改變壓差,壓差對開啟力、泄漏率、開漏比、液膜剛度的影響如圖4所示。

從圖4中可看出:當(dāng)壓差在0.1~1 Mpa時,開啟力、泄漏率、液膜剛度都隨壓差的增大而增大,呈線性變化趨勢;開漏比隨著壓差的變化先急劇下降后趨于平穩(wěn)。當(dāng)壓差增大時,流體的動壓效應(yīng)增強,因此開啟力、泄漏率逐漸增大。

2.3液膜厚度對密封性能的影響

在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、入口壓力為0.5 Mpa、出口 壓力為0.1 Mpa、葉形微孔織構(gòu)深度為3 μm的情況下, 隨膜厚變化各項密封性能的變化趨勢如圖5所示。

從圖5中可以看到:隨著膜厚的增大,開啟力呈先上升后下降的趨勢,在膜厚為3 μm時開啟力取得最大值,膜厚為1~3μm時開啟力上升較快,膜厚大于3μm后開啟力開始下降且下降速度較緩;泄漏率隨著膜厚的增大而逐漸上升,膜厚大于3μm時,泄漏率較大,其密封性能較差;開漏比隨著膜厚的增大而逐漸下降,膜厚為1~3μm時開漏比下降速度較快,膜厚大于3 μm后,開漏比下降速度變緩;液膜剛度隨膜厚增大的變化趨勢與開漏比的變化趨勢相似。相對而言,在膜厚為2~3 μm時,開啟力、液膜剛度和開漏比都較大,泄漏率較小,因此密封性能較好。

隨著膜厚的增大,流體泄漏的路徑變寬,故泄漏率一直處于上升的趨勢。同時,當(dāng)膜厚達到一定的值時,流體動壓效應(yīng)也會隨著膜厚的增大而減弱,因此開啟力開始下降。

2.4織構(gòu)深度對密封性能的影響

葉形微孔織構(gòu)深度是影響密封性能的重要因素之一。在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、入口壓力為0.5 Mpa、出口壓力為0.1 Mpa、液膜為2μm的條件下,織構(gòu)深度對密封性能的影響如圖6所示。

圖6結(jié)果顯示:隨著織構(gòu)深度的增加,開啟力先增大后減小,在織構(gòu)深度為2μm時開啟力取得最大值;泄漏率隨著織構(gòu)深度的增加呈先增大后減小的趨勢,在織構(gòu)深度為5 μm時取得最大值;開漏比隨著織構(gòu)深度的增加呈先減小后增大的趨勢,在織構(gòu)深度為5μm時取得最小值;液膜剛度隨織構(gòu)深度改變的變化趨勢與開啟力的變化趨勢一致。

當(dāng)織構(gòu)深度為1μm時,流體的動壓效應(yīng)較弱,形成的開啟力較小,這是由于織構(gòu)深度太小,進入織構(gòu)區(qū)域的流體相對于整個液膜區(qū)域較少。當(dāng)織構(gòu)深度過大時,反而會削減流體動壓效應(yīng),因此在織構(gòu)深度大于2μm之后開啟力減小。

2.5微孔偏轉(zhuǎn)角度對密封性能的影響

在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、入口壓力為0.5 Mpa、出口壓力為0.1 Mpa、液膜為2μm、織構(gòu)深度為3μm的條件下,微孔偏轉(zhuǎn)角度在0°~90°范圍內(nèi)變化時,其對密封性能的影響如圖7所示。

從圖7中可以看出:隨著微孔偏轉(zhuǎn)角度的增大,開啟力先增大后減小,在偏轉(zhuǎn)角度為30°時取得最大值;泄漏率隨著微孔偏轉(zhuǎn)角度的增大呈先下降后上升的趨勢,在偏轉(zhuǎn)角度為45°時取得最小值;隨著微孔偏轉(zhuǎn)角度的增大,開漏比呈先上升后下降的趨勢;剛度隨偏轉(zhuǎn)角度改變的變化趨勢與開啟力的變化趨勢一致。

在偏轉(zhuǎn)角度為30°時,開啟力最大,形成的流體動壓效果最強,此時泄漏率也較低、開漏比較大,因此具有良好的密封性能。

3結(jié)論

1)隨著壓差的增大,流體動壓效應(yīng)增強,開啟力、泄漏率、液膜剛度隨壓差的增大而增大,開漏比隨壓差的增大而減小。

2)隨著液膜厚度的增大,開啟力先上升后下降,泄漏率隨著膜厚的增大而逐漸上升,開漏比隨著膜厚的增大而逐漸下降,在膜厚為2~3μm時,開啟力、液膜剛度和開漏比都較大,泄漏率較小,密封性能較好。

3)開啟力隨著織構(gòu)深度的增加先上升后下降,存在一個峰值,在織構(gòu)深度為2μm時開啟力取得最大值,此時液膜剛度最大,開漏比較大,泄漏率較小,密封性能較好。

4)在微孔偏轉(zhuǎn)角度為30°時,開啟力最大,泄漏率較小、開漏比較大,密封性能較好。

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2024年第15期第10篇