【摩擦磨损与润滑】兰州理工大学丁雪兴教授团队：微孔几何轮廓对浮环气膜密封动压润滑特性的影响
2024-09-05 12:02:29
作者：王世鹏，丁雪兴，丁俊华，张兰霞，江安迪 来源：表面云社区
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浮环气膜密封是一种改进的微间隙密封方法，可以在无碰磨情况下使径向间隙最小化，从而达到降低泄漏量的目的。它具有耐高温、低泄漏和长寿命等优点，广泛应用于高速透平机械的轴端密封。随着科技的高速发展，流体机械设备面临的工作环境日益苛刻，对密封系统的稳定性和使用寿命提出了更高的要求，因此研究提高密封摩擦副表面润滑和强化密封效果的理论和技术具有重大意义。兰州理工大学丁雪兴教授团队以织构化浮环气膜密封为研究载体，建立动压润滑条件下的润滑理论模型，计算圆形、正方形、椭圆形、三角形4种微织构孔的气膜流场特性，以气膜浮升力、泄漏率、气膜摩擦力和浮漏比为研究目标，重点分析不同转速、压力、偏心率对浮环密封性能的影响，试图发掘不同织构轮廓对提高流体的动压润滑特性的潜力，为织构化浮环密封的设计提供理论依据。根据这些规律，可以选择最适合特定应用需求的微织构孔轮廓，以提高浮环气膜密封的性能和可靠性。浮环气膜密封是一种流阻型密封，简化的密封结构如图1所示，主要由旋转轴、轴套、石墨浮环等组成。浮环气膜密封的密封机理是建立在流体力学基础上，属于动力密封。当轴套随着转轴高速旋转时，因轴套外表面开设了大量的微织构孔，且轴套与浮环采用偏心安装的设计形式，润滑气体符合泵吸效应，流入密封间隙，形成了厚度较薄、刚度较大的气膜。润滑气膜的存在实现了密封副的非接触运行，降低了密封副表面间的碰磨概率，有效延长了密封装置的使用寿命。
为了研究不同轮廓微织构孔对浮环密封性能的影响规律，对织构化表面浮环气膜的密封性能进行计算分析。其中，不同织构轮廓下的气膜厚度分布和气膜压力分布的三维示意图如图2所示。
转速对织构化浮环气膜密封性能的影响规律如图3所示。观察图3a可知，4种几何轮廓的微织构孔所产生的气膜浮升力的变化趋势相同，都呈现出随着转速的提高而逐渐增大的趋势。观察图3b可知，随着转速的增大，4种几何轮廓的微织构孔对泄漏率的影响趋势基本相同，都呈现出逐渐降低的趋势，但降低幅度较小。观察图3c可知，随着转速的提高，不同几何轮廓微织构孔的气膜摩擦力都呈线性增长，但不同几何轮廓的微织构孔对气膜摩擦力的影响并未随转速的提高而差异显著，而是保持相对均衡的状态。观察图3d可知，4种几何轮廓微织构孔产生的浮漏比从大到小的顺序依次为三角形、椭圆形、正方形、圆形。不同几何轮廓微织构孔的浮升力与泄漏率的比值越大，表示其密封性能越优异。
基于气膜润滑理论，建立了表面织构化浮环密封的润滑模型。利用试验测试泄漏率的方法验证了数值计算结果的有效性和正确性，继而进行了计算结果的对比分析，得出以下结论。1）在气膜收敛区域，4种不同几何轮廓的微织构孔均可产生显著的流体动压效应，改变了浮环气膜密封间隙内的气膜压力分布，极大地改善了浮环密封的动压润滑性能。2）不同几何轮廓的微织构孔对密封性能参数的影响具有相似的变化规律。转速、压力和偏心率的提高均可提高气膜浮升力。气体泄漏率随着压力和偏心率的增加而迅速升高，随着转速的升高而缓慢下降。气体摩擦力随着转速、压力和偏心率的升高而升高。3）织构化浮环气膜密封的动压润滑性能在很大程度上取决于微织构孔的几何轮廓。考察相同工况下的不同几何轮廓的微织构孔对密封性能的影响规律发现，具有三角形轮廓特征的微织构孔在综合密封性能上表现出最佳效果，其次是椭圆形、正方形，最后是圆形。
该文章发表在《表面技术》第53卷第13期。
引文格式：王世鹏, 丁雪兴, 丁俊华, 等. 微孔几何轮廓对浮环气膜密封动压润滑特性的影响[J]. 表面技术, 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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