关键词：逾渗理论;;接触式机械密封;;接触力学;;微通道;;泄漏率
摘 要：长周期安全运行、环境保护和资源节约的要求,使得用于设备防漏的接触式机械密封再次成为人们关注的焦点。自1885年机械密封诞生以来,人们从未间断对接触式机械密封泄漏机制的研究,试图通过揭示其成因以便更好地应用于工业生产装备。前人先后提出“流体交换流动理论”、“波度效应”、“泄漏通道分形模型”等理论,较好地阐释了一定工况下机械密封接触界面的泄漏机制,为保证设备的安全运行作出了贡献,但这些理论无法解释静止状态下密封端面间存在的泄漏现象或者经过磨合致使“波度”消失之后的平行端面间的泄漏问题。Persson和Bottiglione等人基于逾渗泄漏通道模型回答了上述两个问题,却又忽略了表面形貌多尺度效应及其对密封界面逾渗特性的影响。不仅如此,这些研究均未计及泄漏介质的毛细管力作用,而只是简单地认定泄漏通道存在泄漏流体,其流动为层流,缺少对泄漏推动力的考量。因此,揭示机械密封界面泄漏机制仍然需要更多的研究。本文引入逾渗理论,探讨多孔密封界面的逾渗阈值,并据此判定多孔密封界面的不同网格层数下的逾渗特性;将机械密封动、静环密封界面的接触等效为一个理想刚性光滑平面与一个粗糙表面的接触,分析加载后的真实接触面积、接近量以及孔隙率变化规律;对动、静环粗糙表面进行三维重建和有限元数值模拟,验证密封界面孔隙率理论研究的正确性;基于克努森数和毛细管力,建立逾渗条件下的多孔密封界面宏观泄漏判据,并分析宏观泄漏状况下密封界面间流体流动阻力和推导了基于孔吼尺寸的泄漏率计算公式,进而阐释接触式机械密封界面泄漏机制。主要研究内容和研究结果如下:(1)基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗特性,分析了密封界面孔隙率与逾渗通道孔吼尺寸的关系。研究表明:随着网格层数n的增加,相应的逾渗阈值?_c从单层网格逾渗阈值0.593逐渐下降,当网格层数变为无穷大时,逾渗阈值趋于一定值0.316;当孔隙率大于0.316时,密封界面形成泄漏通道,且孔吼尺寸与孔隙率的关系近似呈线性关系。(2)提出一种基于粗糙表面轮廓分形表征新方法的接触力学模型,建立了多孔密封界面逾渗泄漏通道。考虑到基于统计学参数模型的尺度依赖性和现有分形模型在初始轮廓表征方面受制于接触面积或取样长度的不足,建立了基于粗糙表面轮廓分形维数D_s、尺度系数G和最大微凸体轮廓基底尺寸l的接触力学模型,探讨了加载后端面比压、形貌参数等对多孔密封界面孔隙率的影响规律。结果表明:随着端面比压的增大,微凸体变形从弹性变形开始,逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;分形维数D_s较小时,尺度系数G的增大对真实接触面积和接近量的增大影响较小;D_s较大时,G的增大对真实接触面积和接近量的增大作用明显;密封界面的初始孔隙率?_0随着分形维数D_s的增大而增大,而与尺度系数G无关,加载后孔隙率?随着端面比压p_c增大而减小,并随着D_s的增大和G减小,?快速减小;根据静环分形维数2.3≤D_s≤2.5,尺度系数10~(-11)≤G≤10~(-9)和端面比压p_c≤0.5MPa,密封界面的孔隙率始终大于0.593,可以建立单层网格逾渗泄漏通道,并与其它泄漏通道模型进行了比较。(3)基于OLS4100激光扫描显微镜测量数据,对动、静环粗糙表面进行了三维形貌重建,并利用Ansys软件对重建后的动、静环接触模型进行有限元模拟。研究表明:重建后密封界面的初始孔隙率和理论计算初始孔隙率?_0较为一致;随着端面比压p_c的增加,接触界面的变形区域从一个凸峰点周围逐渐向四周扩散;同时,理论计算的孔隙率随端面比压p_c的变化规律和有限元模拟结果基本一致。(4)基于毛细管力和克努森数,分析了液体工质和气体工质在密封界面发生宏观泄漏的条件,建立了逾渗通道的宏观泄漏判据。推导了泄漏微通道内的流体流动的阻力,并利用Fluent对泄漏通道的流动阻力进行数值模拟;利用简化的N-S方程以及连续性方程,推导了基于孔吼尺寸的泄漏率。研究表明:密封界面之所以会发生宏观泄漏,是因为存在泄漏通道以及足够大的流体流动推动力;当密封界面两侧的压差大于毛细管力p_L时,液体将流过逾渗通道表现为宏观泄漏;当逾渗通道气体克努森数Kn小于0.01,气体将流过逾渗通道表现为宏观泄漏。泄漏通道内的流动阻力为直管流动阻力与局部流动阻力之和,随着泄漏通道入口速度的增大,通道内的流体流动阻力增大,泄漏通道的孔吼尺寸越小,其入口速度变化对流动阻力的影响越显著;最后,阐释了接触式机械密封界面的泄漏机制。(5)实验研究了形貌参数、介质压力、弹簧比压、转速以及毛细管力对泄漏率的影响规律,验证了接触式机械密封界面逾渗泄漏模型的可靠性。运用接触式轮廓仪测量动、静环端面形貌参数,施加轴向载荷求得泄漏通道孔吼尺寸和理论泄漏率;注入0.1~0.5MPa压缩空气,采用玻璃转子流量计测量泄漏率,获得了泄漏率随端面形貌参数、介质压力和轴向载荷变化的规律。研究表明:静环表面越光滑(D_s大,G小),逾渗通道高度越小,泄漏率越小;介质压力越大,流体流动推动力越大,泄漏率越大;在弹簧比压较小时,轴向载荷对密封界面泄漏通道高度影响不大;由于惯性力和粘度的影响,转速越大,泄漏率略有降低;当泄漏通道孔吼处的毛细管力大于流体推动力时,密封界面没有宏观泄漏。通过工程应用表明,密封界面泄漏机制的研究及其成果,能够为接触式机械密封优化设计和泄漏控制提供理论依据。
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