Page 103 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 王衍, 等: 干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究 369

0.5 1.0
L-F T-F
20 20
L-Q T-Q
0.4 16 0.8
Opening force, F/kN 12 0.3 Leakage rate, Q/(m 3 /h) Opening force, F/kN 12 0.6 Leakage rate, Q/(m 3 /h)
16
0.4
0.2
8
8
L-F
4
L-Q T-F 0.1 4 0.2
T-Q
0 0.0 0 0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
−4
−4
Rotation speed, N×10 /(r/min) Rotation speed, N×10 /(r/min)
(a) h=3 μm (b) h=4 μm
1.5
20 L-F T-F
L-Q T-Q 1.2
Opening force, F/kN 12 0.9 Leakage rate, Q/(m 3 /h)
16
0.6
8
4
0.0
0 0.3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
−4
Rotation speed, N×10 /(r/min)
(c) h=5 μm

Fig. 4 The variation trend of macroscopic sealing performance under different flow patterns
图 4 不同流态下宏观密封性能变化趋势(P in =2 MPa，h g =4 μm)

表 4 突变点对应的转速值
Table 4 Speed corresponding to the inflection point

Opening force to the inflection point Leakage rate to the inflection point
4
N×10 /(r/min)
Primary inflection point Secondary inflection point Primary inflection point Secondary inflection point
Laminar − − 9 −
h=3 μm
Turbulent 7 9 6 9
Laminar − − 4 −
h=4 μm
Turbulent 5 8 6 9
Laminar 8 − 4 −
h=5 μm
Turbulent 3 8 2 10
所示. 由于密封端面不同区域的气膜速度不同，不同 基于流体动力学原理及速度场中轴向速度分量
膜厚或不同位置时的气膜速度也不同，鉴于此，最大 的突变现象，产生这一现象的原因可能是因为超高转

速度v max 和轴向速度分量v 的分析面向整个非槽区和 速使得微尺度流场波动增大、突破了轴向运动原有的
a
槽区端面流场，径向速度分量v 的分析选择出口面，因 力系束缚，进而表现为v 出现突变增加现象. 进一步分
a
r
为这一位置的量值最稳定，与最大速度v max 理论对应. 析图5(a)可知，周向剪切速度分量v 与转速N基本呈线
c
根据流动因子计算方法，v 与v 可通过流场分析直接 性关系，而径向速度v 随转速的增大，呈现先增大后减
r
r
a
2 2 2
得出，v 可由公式v max =v +v 计算得出. 相比于轴向分 小的变化趋势，说明随着转速的增大，确实使得介观
r
c
c
量v ，流场中径向分量v 与周向分量v 为主流速度方 流场出现了一定程度的扰动，才会对径向的介质流动
r
a
c
向，低转速时的v 相较于v 或v 而言，基本可以忽略不 出现了干扰.
a
c
r
计，但当转速突破某一高值时(N=9×10 r/min左右，以 综合分析图5可知，层流时三种速度分量数值略
4
湍流计算为准)，v 会呈现迅速增大的趋势，此时不应 高于湍流流态，但整体趋势基本一致. 图5(b~d)分别为
a
再忽视这一分量的影响. 压力、膜厚及槽深的变化对速度分量的影响规律，由