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【摩擦磨損與潤滑】蘭州理工大學(xué)丁雪興教授團(tuán)隊(duì)：微孔幾何輪廓對浮環(huán)氣膜密封動(dòng)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?zhí)m霞，江安迪來源：表面云社區(qū) 分享至：

背景與意義

浮環(huán)氣膜密封是一種改進(jìn)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(dá)到降低泄漏量的目的。它具有耐高溫、低泄漏和長壽命等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速透平機(jī)械的軸端密封。隨著科技的高速發(fā)展，流體機(jī)械設(shè)備面臨的工作環(huán)境日益苛刻，對密封系統(tǒng)的穩(wěn)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(qiáng)化密封效果的理論和技術(shù)具有重大意義。

蘭州理工大學(xué)丁雪興教授團(tuán)隊(duì)以織構(gòu)化浮環(huán)氣膜密封為研究載體，建立動(dòng)壓潤滑條件下的潤滑理論模型，計(jì)算圓形、正方形、橢圓形、三角形4種微織構(gòu)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(biāo)，重點(diǎn)分析不同轉(zhuǎn)速、壓力、偏心率對浮環(huán)密封性能的影響，試圖發(fā)掘不同織構(gòu)輪廓對提高流體的動(dòng)壓潤滑特性的潛力，為織構(gòu)化浮環(huán)密封的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。根據(jù)這些規(guī)律，可以選擇最適合特定應(yīng)用需求的微織構(gòu)孔輪廓，以提高浮環(huán)氣膜密封的性能和可靠性。

圖文導(dǎo)讀

浮環(huán)氣膜密封是一種流阻型密封，簡化的密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由旋轉(zhuǎn)軸、軸套、石墨浮環(huán)等組成。浮環(huán)氣膜密封的密封機(jī)理是建立在流體力學(xué)基礎(chǔ)上，屬于動(dòng)力密封。當(dāng)軸套隨著轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，因軸套外表面開設(shè)了大量的微織構(gòu)孔，且軸套與浮環(huán)采用偏心安裝的設(shè)計(jì)形式，潤滑氣體符合泵吸效應(yīng)，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(shí)現(xiàn)了密封副的非接觸運(yùn)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(gòu)孔對浮環(huán)密封性能的影響規(guī)律，對織構(gòu)化表面浮環(huán)氣膜的密封性能進(jìn)行計(jì)算分析。其中，不同織構(gòu)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(zhuǎn)速對織構(gòu)化浮環(huán)氣膜密封性能的影響規(guī)律如圖3所示。觀察圖3a可知，4種幾何輪廓的微織構(gòu)孔所產(chǎn)生的氣膜浮升力的變化趨勢相同，都呈現(xiàn)出隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增大的趨勢。觀察圖3b可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，4種幾何輪廓的微織構(gòu)孔對泄漏率的影響趨勢基本相同，都呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但降低幅度較小。觀察圖3c可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，不同幾何輪廓微織構(gòu)孔的氣膜摩擦力都呈線性增長，但不同幾何輪廓的微織構(gòu)孔對氣膜摩擦力的影響并未隨轉(zhuǎn)速的提高而差異顯著，而是保持相對均衡的狀態(tài)。觀察圖3d可知，4種幾何輪廓微織構(gòu)孔產(chǎn)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(gòu)孔的浮升力與泄漏率的比值越大，表示其密封性能越優(yōu)異。

結(jié)論

基于氣膜潤滑理論，建立了表面織構(gòu)化浮環(huán)密封的潤滑模型。利用試驗(yàn)測試泄漏率的方法驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性和正確性，繼而進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果的對比分析，得出以下結(jié)論。

1）在氣膜收斂區(qū)域，4種不同幾何輪廓的微織構(gòu)孔均可產(chǎn)生顯著的流體動(dòng)壓效應(yīng)，改變了浮環(huán)氣膜密封間隙內(nèi)的氣膜壓力分布，極大地改善了浮環(huán)密封的動(dòng)壓潤滑性能。

2）不同幾何輪廓的微織構(gòu)孔對密封性能參數(shù)的影響具有相似的變化規(guī)律。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的升高而緩慢下降。氣體摩擦力隨著轉(zhuǎn)速、壓力和偏心率的升高而升高。

3）織構(gòu)化浮環(huán)氣膜密封的動(dòng)壓潤滑性能在很大程度上取決于微織構(gòu)孔的幾何輪廓。考察相同工況下的不同幾何輪廓的微織構(gòu)孔對密封性能的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，具有三角形輪廓特征的微織構(gòu)孔在綜合密封性能上表現(xiàn)出最佳效果，其次是橢圓形、正方形，最后是圓形。

文章信息

該文章發(fā)表在《表面技術(shù)》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(huán)氣膜密封動(dòng)壓潤滑特性的影響[J]. 表面技術(shù), 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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