Page 194 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 王和顺, 等: 双尖槽干气密封特性对比研究 979

0.5、1.0和1.5 μm时，双尖槽开启力较燕尾螺旋槽增幅 由图6可知：1)两种槽型端面气膜刚度均随端面间
分别为1.30%、1.38%和1.23%. 隙增大而减小. 在端面间隙较小区域(约小于6.0 μm)，
一般干气密封正常工作时平衡间隙都在3 μm左 气膜刚度随端面间隙增大而迅速减小，且双尖槽气膜
右 [3, 10] ，而在小间隙区双尖槽稍大的开启力有助力提 刚度变化幅度整体大于燕尾螺旋槽；在端面间隙较大
升端面气膜的稳定性. 区域(约大于6.0 μm)，气膜刚度随端面间隙增大而呈

3.3 泄漏量 缓慢下降，且两种槽型气膜刚度下降幅度逐渐趋同.
双尖槽和燕尾螺旋槽的端面泄漏量变化情况如 这是由于在间隙较小时，开启力的构成中对间隙变化

图5所示. 非常敏感的介质动压力占优，在间隙较大时，开启力
的构成中对间隙变化不敏感的介质静压力占优. 2)在

0.25 5.0 端面间隙小于6.0 μm区域，双尖槽气膜刚度整体大于
DPG
DSG-h g =5
0.20 燕尾螺旋槽，在端面间隙大于6.0 μm区域，双尖槽气
DSG-h g =8
DSG-h g =10 2.5 膜刚度整体小于燕尾螺旋槽. 这是由于小间隙时双尖
RC
Q/(Nm 3 /h) 0.15 0 R q /% 槽具有较显著的端面动压效应，而在间隙较大时，双
尖槽周向两个深度不同的槽一定程度上降低了介质
0.10
压力沿径向随间隙的变化幅度. 3)双尖槽气膜刚度整
−2.5
0.05
体与5 μm槽深燕尾螺旋槽较接近，在各间隙状态下，
0 −5.0 两者刚度相对差大约在6%~−30%之间变化. 如间隙分
1 3 5 7 9 11 13 15 别为3.5、4.0和4.5 μm时，双尖槽刚度较5 μm槽深燕尾
h o /μm
螺旋槽增幅分别为4.90%、5.19%和5.30%，而间隙分别
Fig. 5 The curve of leakage with clearance
图 5 泄漏量随端面间隙变化曲线 为14.0、14.5和15.0 μm时，双尖槽刚度较5 μm槽深燕
尾螺旋槽增幅分别为−28.72%、−28.87%和−28.88%.
由图5可知：1)两种槽型密封泄漏量均随端面间隙 4)双尖槽气膜刚度整体大于10 μm和8 μm槽深的燕尾
增大而呈近似指数关系上升. 理论上由式(6)可知，密 螺旋槽，特别是在3~5 μm区域，双尖槽刚度较10 μm和
封泄漏量与端面间隙的三次方成正比关系变化. 虽然 8 μm槽深的燕尾螺旋槽有显著增大。
干气密封在端面开设了不同结构的浅槽，显著影响了
端面槽区及附近的介质流动情况，但在坝区介质流动 25 DPG 20
逐渐与平行端面密封靠近，特别是在间隙较大时，端 20 DSG-h g =5
DSG-h g =8 10
面浅槽对介质泄漏量的影响就更低. 2)在端面间隙小 DSG-h g =10
于3.0 μm区域，双尖槽泄漏量整体大于燕尾螺旋槽， 15 RC 0
在端面间隙大于3.0 μm的区域，双尖槽泄漏量整体小 K/(10 9 N/m) 10 −10 R K /%
于燕尾螺旋槽. 且随着端面间隙的增加，具有较深端
面燕尾螺旋槽(10 μm)的密封面泄漏量增幅最大. 这是 5 −20
由于双尖槽在端面间隙小于3.0 μm区域的底部圆弧槽
0 −30
区形成了更高的动压力，介质在经圆弧槽向内径流动 1 3 5 7 h o /μm 9 11 13 15
时，因较高的压差形成了稍大的泄漏量. 3)双尖槽泄
Fig. 6 The curve of stiffness with clearance
漏量整体与5 μm槽深燕尾螺旋槽接近，在各间隙状态 图 6 刚度随端面间隙变化曲线
下，两者相对差不超过2%. 如间隙为0.5、1.0和1.5 μm
时，双尖槽泄漏量较燕尾螺旋槽增幅分别为1.62%、 小间隙状态下，双尖槽相对于5 μm槽深的燕尾螺
1.91%和1.77%. 4)双尖槽泄漏量在小间隙状态下的增 旋槽接近6%左右的刚度增加值，能有效提升端面流
加量，远小于干气密封泄漏指标控制量，不会导致密 体膜稳定性.

封泄漏量超标. 3.5 刚漏比

3.4 刚度 双尖槽和燕尾螺旋槽的端面气膜刚漏比变化情
双尖槽和燕尾螺旋槽的端面气膜刚度变化情况 况如图7所示.
如图6所示. 由图7可知：1)随着端面间隙的增大，双尖槽和燕