接觸式密封間隙內流動模型和密封性能分析

摘要：本文采用解析法和數值法相結合的形式，針對航空發動機常用接觸式密封間隙內流動進行求解。研究了密封端面壓力、泄漏量、密封接觸力的分布和變化與膜厚關系。研究表明，密封泄漏量大小與密封間隙及密封間潤滑油的粘度有很大的聯系；雖然在等溫等膜厚的條件下，解析方法和數值方法都能得到正確的解，而解析方法顯然更加方便精確（無數值誤差），但用解析方法計算在有粘度變化的情況下的端面壓強分布是存在一定困難的，此時，建立數值模型對密封流場進行分析就會顯示出它的優勢。

關鍵詞：機械密封 密封間隙流場 數值模型 密封性能

1 引言

航空發動機作為飛機的心臟，是航空工業的核心技術，也是衡量一個國家軍事裝備水平、科技工業實力和綜合國力的重要標志。航空發動機相關零部件及其關鍵技術的研制，是推動航空發動機技術發展必不可少的支柱，而且隨之帶來的新的經濟增長方式和科學技術發展對增強國家綜合實力和國際競爭力、加快現代化步伐具有重大意義。密封是航空發動機的重要部件之一，其性能對發動機燃油消耗率和推重比等有著直接的影響，密封性能退化及其引起的發動機結構故障也是引起飛機計劃外更換發動機的重要原因之一?，F代航空發動機的旋轉密封通常在高旋轉速度、高環境溫度或高摩擦生熱的特殊條件下工作，對密封的結構、材料、加工工藝等提出了極高的要求。國外已在先進航空發動機軸密封方面已經開展了大量的研究工作，而我國在航空發動機密封方面的研究與國外相比還存在巨大差距，技術水平滯后于我國航空發動機性能快速發展的現狀。

1、8防轉機構，2安裝座，3彈性元件，4、7次級密封圈，5動環又稱跑道，6靜環

圖1 航空發動機常用密封件結構簡圖

本文研究對象是如圖1所示的航空發動機常用密封件，屬于接觸式機械密封，是一種依靠彈性元件對靜動環端面密封副的預緊與介質壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸向密封裝置[1]，其主要的組成部分包括靜環、動環、彈性元件等。該密封是一種接觸式機械密封，即在運轉中存在著密封端面之間的固體接觸。對于接觸式密封，在其運行時，密封動環和靜環之間存在著一層很薄的流體潤滑膜，同時，也存在著動環和靜環表面粗糙峰直接接觸，這兩部分力的和即為密封環的開啟力，與密封環背部的作用力相平衡。因而在計算中，需要分別對流體膜作用力和固體接觸力進行計算。對于密封間隙內流動，由于膜厚很薄，可采用雷諾方程對流場進行求解。在本文的計算中，假設密封端面呈平行狀態，膜厚均勻分布，而且假設溫度均勻分布。

2基本參數

計算的基本參數如表1所示。

3 數學物理模型和數值求解方法

在平行膜厚假設下，密封間隙內流動可采用解析法和數值法兩種途徑進行求解。解析法計算簡單、便捷、精確，但可拓展性差，無法推廣到復雜的幾何形狀和變密度、變粘度問題；數值法計算過程較為繁瑣，但適用性廣，方便今后向更復雜的模型進行演化。因此，本論文中采取了解析方法和數值方法相結合的形式進行。下面分別對解析法和數值法的基本方程和求解方法進行說明。

3.1解析法求解

對于平端面機械密封，可采用極坐標系下的雷諾方程進行求解。其方程如下：

3.2數值法求解

采用直角坐標系下的雷諾方程進行求解，其方程如下：

4 結果和討論

主要研究膜厚變化對流場的影響，論文中算例溫度與膜厚的取值如表2所示。

隨著密封端面的膜厚的變大，密封由于粗糙峰接觸而產生的力以一個較快的速度下降。

密封穩定運轉的情況下開啟力等于閉合力。在一般情況下，密封的開啟力由密封端面的液膜承載，而當液膜的力不足以使得密封開啟時，密封端面將會接觸，提供部分使得密封穩定運轉的力。在本算例中，設彈簧力為35N，因而密封表面接觸需要提供的力為：

35N-25.4472N=9.5528N

插值得到膜厚為2.927um。

d）在膜厚為2.927um的情況下，改變密封端面液膜溫度，由于潤滑油粘度隨溫度而變化，泄漏量也將發生變化。而且隨著溫度的變化，泄漏率變化越來越顯著。而密封端面壓力則不會受到影響。

5 結論

密封的泄漏量大小與密封的間隙及密封間潤滑油的粘度有很大的聯系。在等溫等膜厚模型中，密封端面壓強的分布與溫度及間隙無關，并且與解析解吻合的非常好。但是在非等溫模型中，壓強的分布將會與溫度有較大的關系，這是由于溫度的變化將會引起潤滑油粘度的變化，從而使得端面壓強有所改變。雖然在等溫等膜厚的條件下，解析方法和數值方法都能得到正確的解，而解析方法顯然更加方便精確（無數值誤差），但用解析方法計算在有粘度變化的情況下的端面壓強分布是存在一定困難的，此時，建立數值模型對密封流場進行分析就會顯示出它的優勢。

參考文獻

[1] 顧永泉. 機械密封實用技術. 2007：6.

作者簡介：

胡國良（1980-），男，工程師職稱，1999年畢業于北京航空航天大學機械工程及自動化專業，本科學歷；2016年畢業于北京航空航天大學控制工程專業，工程碩士學位；現任職于中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，從事航空密封、慣性技術研究和產品研制、生產管理工作。