泵出型螺旋槽油气密封泄漏特性及参数影响研究.pdf

化工学报 2023年 第74卷 第6期|,2023,74(6):2538-2554 CIESC Journal泵出型螺旋槽油气密封泄漏特性及参数影响研究江锦波1，彭新1，许文烜1，门日秀2，刘畅2，彭旭东1（1 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310029；2 中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室，天津 300400）摘要：以泵出型螺旋槽油气密封为研究对象，基于油相和气相连续性方程推导并建立了油气密封流场求解的双相雷诺模型，采用有限体积法离散和编程求解获得了油气密封介质流场分布，对比分析了商用软件VOF模型、单相雷诺模型和双相雷诺模型在求解油气密封流场中的计算精度和效率，研究了密封间隙、油气比、转速、介质压力等运行参数和密封环尺寸对油气密封流场和稳态性能的影响，重点探讨了油气密封近零泄漏特性及其关键影响因素。结果表明，提出的双相雷诺模型求解方法是一种高精度、高效率的油气密封流场数值模拟方法，具有与商用软件VOF模型近似的精度，但计算时间降低1个数量级；油气密封的介质泄漏特性和近零泄漏压差主要受到密封间隙、转速和端面宽度的影响，通过上述参数的合理取值有望实现油气介质的零泄漏。关键词：气液两相流；数值模拟；优化设计；油气端面密封；涡轮增压器中图分类号：TH 117.2 文献标志码：A文章编号：0438-1157（2023）06-2538-17Study on leakage characteristics and parameter influence of pump-out spiral groove oil-gas sealJIANG Jinbo1,PENG Xin1,XU Wenxuan1,MEN Rixiu2,LIU Chang2,PENG Xudong1(1 College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310029,Zhejiang,China;2 Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging Laboratory,China North Engine Research Institute,Tianjin 300400,China)Abstract:Taking the pump-out spiral groove oil-gas seal as the research object,the two-phase Reynolds model for solving the flow field of oil-gas seal was established based on the continuity equations of oil and gas phase,respectively.The flow field distribution of the oil-gas sealing medium is obtained by using the finite volume method to discretize and program the solution.The calculation accuracy and efficiency of commercial software VOF model,single-phase Reynolds model and two-phase Reynolds model in solving the flow field of oil-gas seal were compared and analyzed.The effects of operating parameters such as seal gap,oil-gas ratio,rotational speed,medium pressure,and seal ring size on the flow field and steady-state performance of the oil-gas seal were studied,and the near-zero leakage characteristics of the oil-gas seal and its key influencing factors were discussed.The results show that the proposed two-phase Reynolds model method is a high precision and efficient numerical method for calculating the flow field of oil-gas seal.It has the approximate accuracy with the commercial software VOF model,while the calculation time is reduced by one order of magnitude.The medium leakage characteristics DOI：10.11949/0438-1157.20230234收稿日期：2023-03-13 修回日期：2023-04-09通信作者：彭旭东（1964），男，博士，教授，第一作者：江锦波（1989），男，博士，副教授，基金项目：柴油机高增压技术国防科技重点实验室基金项目（6142212200301）；国家自然科学基金项目（52075491，52076195）引用本文：江锦波,彭新,许文烜,门日秀,刘畅,彭旭东.泵出型螺旋槽油气密封泄漏特性及参数影响研究J.化工学报,2023,74(6):2538-2554Citation：JIANG Jinbo,PENG Xin,XU Wenxuan,MEN Rixiu,LIU Chang,PENG Xudong.Study on leakage characteristics and parameter influence of pump-out spiral groove oil-gas sealJ.CIESC Journal,2023,74(6):2538-2554研究论文第6期and near zero leakage pressure differential of oil-gas seal are mainly affected by the seal clearance,rotational speed and seal ring width.It is expected to achieve zero leakage of oil-gas through the reasonable value of the above-mentioned parameters.Key words:gas-liquid flow;numerical simulation;optimal design;oil-gas face seal;turbocharger引言泵出型油气端面密封作为一种用于防止润滑油泄漏和避免空气、燃气进入轴承腔的关键基础件，其在涡轮增压器1-2、航空发动机轴承腔3-4和汽车发动机曲轴箱5中得到成功应用。当用于涡轮增压器压气机端与油润滑轴承腔之间时，相较于常规的涨圈密封，泵出型油气端面密封能很好地解决涡轮增压器低速漏油、高速窜气和不能水平轴布置等主要难题6。当泵出型密封用于油气环境时，密封界面易存在油气两相流动状态，准确地模拟油气介质在密封界面的流动状态和压力分布对于精准预测密封的成膜和泄漏特性至关重要。目前普遍采用商用软件Fluent中的多相流模型来研究机械密封的多相流动特性。基于Fluent软件，张敏佳等7采用VOF模型研究了单金属密封间隙固液两相流动特性；陈汇龙等8-9则采用Mixture模型和DPM模型模拟了上游泵送机械密封中固体颗粒沉积和运动特性；李欢等10在研究油气比低于0.1的低液气比油气密封流动特性时采用DPM模型；郝木明等11在研究具有较大范围气液比的泵出型螺旋槽气液密封流动特性时推荐采用VOF模型。不过在采用商用软件的多相流模型开展混相介质机械密封流动特性时还存在计算时间长、效率较低的问题。将三维的方程合理简化，是另外一种方式。Jin等12在研究高转速下两相密封的稳定性影响因素时采用了均匀膜的理论来求解液膜中的相变；Wang等13在研究3D表面形状对机械密封相变的影响时采用薄膜均相理论模型；曹生照等14在研究高速、低温工况下液膜密封相变的影响因素时联立求解薄膜均相模型与热状态方程。综上，如何在保证泵出型油气端面密封求解精度的基础上降低计算时间还有待进一步探索。通过在密封端面低压侧开设上游泵送型槽以利用其剪切流抵抗压差流，进而实现在高速条件下以低压介质阻封高压介质的目的15-16。国内很多学者数值研究了泵出型螺旋槽机械密封用于油气介质17-18、气液介质19、固液介质20和易相变介质21中时的混相介质流动与沉积特性，对密封间隙内油气流动特性及其工况、结构参数的影响有了规律性的认识，不过对于油气或气液密封的近零泄漏特性及其敏感性影响因素尚未深入探讨。本文以泵出型油气端面密封为研究对象，基于油相和气相的连续性方程推导了油气密封的膜压和油气比控制方程（即为双相雷诺模型），并与单相雷诺模型、VOF模型的计算精度和效率进行对比分析；研究运行参数和密封环尺寸等对油气密封流场分布、稳态性能和近零泄漏特性的影响规律，重点探讨油气密封近零泄漏特性的关键影响因素，为涡轮增压器油气密封的工程设计提供理论依据。1 数值分析模型1.1 几何模型涡轮增压器压气机端气膜密封安装于压气机与油润滑轴承腔甩油环之间，起着阻止润滑油向压气机内泄漏和避免压气机内空气窜入润滑油腔的作用。图1为泵出型螺旋槽油气端面密封的结构示意图。油气端面密封主要结构包括固定安装于转轴并随之转动的动环和浮动安装于固体壳体的静环所组成的一对密封副，其中密封副内径侧与压气机出口相连通，介质压力为pi；密封副外径侧与甩油环外部的油气腔相连通，油气压力为po。当密封运行时，动静环端面之间以h0的微米级间隙实现非接触运行。在密封端面内径ri至槽根半径rg处为开槽区，设有数量为Ng、深度为hg的泵出型螺旋槽组，而在槽根半径rg至端面外径ro处为不开槽的密封坝，用于实现停车密封和防止介质过量泄漏。当涡轮增压器转速较低时，压气机出口和密封内侧空气腔内空气压力较低，利用泵出型螺旋槽产生的流体动压效应，将空气腔内的空气增压泵送后在槽根附近形成高压区，用以阻封油气腔内压力较高的油气介质泄漏，从而达到控制漏油的效果。定义径向槽长比和周向槽宽比以分别表示泵出型螺旋槽在密封端面上的径向和周向开槽比例。=ro-rgro-ri，=gg+l(1)2539第74卷化 工 学 报式中，g和l分别为单个螺旋槽及其对应的密封堰沿周向的夹角。鉴于对数螺旋槽端面密封能产生较强的流体动压效应和均匀的压力分布22，本文中选取对数螺旋槽作为泵出型动压槽的结构。对数螺旋线的极坐标方程为：r=rgetan(2)式中，r和分别为任意点的半径和周向角度；为螺旋角。1.2 膜压控制方程为简化方程，忽略次要量，对控制方程提出下述假设。(1)流场为定常流场，流体为牛顿流体，液体密度为常数，气体为理想气体。(2)气膜膜厚远远小于其他两个方向，压力、密度和相分布不沿膜厚方向变化，其可以近似用平均值代替；只考虑u/z、v/z产生的影响，其他方向的导数忽略不计。(3)不考虑气体质量的影响，忽略惯性项和表面张力的影响。(4)流体在接触面上无滑移，忽略密封面粗糙度和动静环热力变形。(5)涡轮增压器怠速状态下转速较低，假设气膜间流动为层流。气膜密封一侧为空气，另一侧为油气，故其密封间隙内可能为同时存在油相和气相的油气介质。不同于单相介质密封，油气两相密封压力分布求解时