Page 105 - 《摩擦学学报》2020年第6期

788 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

5 μm-lnertialess 0.70
7 μm-lnertialess
18.0 9 μm-lnertialess 0.65
11 μm-lnertialess
Opening force, F o ×10 3 /rpm 17.0 11 μm-lnertia Leakage rate, Q m /(g/s) 0.60 5 μm-lnertialess
5 μm-lnertia
7 μm-lnertia
17.5
9 μm-lnertia
7 μm-lnertialess
16.5
9 μm-lnertialess
16.0
5 μm-lnertia
7 μm-lnertia
9 μm-lnertia
15.5 0.55 11 μm-lnertialess
0.50 11 μm-lnertia
10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70
3
3
Rotational speed, n×10 /rpm Rotational speed, n×10 /rpm
(a) Opening force vs rotational speed (b) Leakage rate vs rotational speed
0
5 μm-lnertialess
−5 7 μm-lnertialess
Outlet temperature, T o /℃ −15 5 μm-lnertia
9 μm-lnertialess
−10
11 μm-lnertialess
7 μm-lnertia
9 μm-lnertia
−20
11 μm-lnertia
−25
−30
−35
−40
10 20 30 40 50 60 70
3
Rotational speed, n×10 /rpm
(c) Outlet temperature vs rotational speed

Fig. 6 Influence of rotational speed on outlet temperature，leakage rate and opening force
图 6 转速对开启力、泄漏率和出口温度的影响
虑离心惯性力效应作用时，气膜开启力在不同槽深下 随转速的提升而增大有所不同. 在不考虑离心惯性力
有不同变化规律. 槽深 h g ⩽7 μm时，气膜开启力仍然随 效应作用时的泄漏率只与密度、黏度以及沿径向方向
着转速的增大近似以线性的方式增大；槽深 h g >7 μm 的压力梯度有关. 气膜内温度由于黏性耗散作用随着
时，气膜开启力随着转速先增大后减小，即气膜开启 转速的增加而升高，温度升高会导致气膜内气体黏度
力存在极大值，而且槽深越深，气膜开启力的极大值 增大，密度减小，从而引起泄漏率减小. 气膜压力随着
出现的越早. 这一现象对S-CO 干气密封来说，不能像 转速的增加而提高，进而引起径向压力梯度提升，然
2
传统干气密封一样单纯提高转速或增加槽深就能获 而，内、外径之间压差较大时，内径出口处的压力梯度
得理想的开启力，而是转速与槽深之间存在最佳工况 并不随转速的增大发生较大提升，而是轻微提升(通

点，且浅槽具有较好的优势与稳定性. 对于S-CO 干气 常可近似为常数)，压力梯度的提升会引起泄漏率增
2
密封来说，离心惯性力效应可以显著降低开启力，这 大. 由于泄漏率在内径出口处计算，所以泄漏率增大
对密封来说是不利的，尤其在变工况情况下容易导致 还是减小由出口处温度与压力梯度共同决定. 通过
动、静环之间发生碰摩. 从前文对图4的分析可知，离 图6(b)与图6(c)的对比分析可以发现，转速在20 000 r/min
心惯性力效应导致整个气膜内压力分布下降，而气膜 以内时，出口温升几乎不变，此时，泄漏率的增加只是
开启力是对压力在整个流场内的积分，所以相应的气 内径出口处压力梯度的轻微提升引起. 此后，转速大
膜开启力在考虑离心惯性力效应时会降低. 于20 000 r/min时，内径出口处温度随转速显著提升，
转速对S-CO 干气密封泄漏率的影响如图6(b)所 从而引起泄漏率减小. 相比于内径出口处压力梯度轻
2
示. 不考虑离心惯性力效应作用时，在不同槽深下的 微提升引起的泄漏率增加，温度引起的泄漏率减少更
泄漏率均随着转速的增大先增大后减小，而且转速超 为显著，所以才会出现泄漏率随转速增大而减小的变
过一定值后泄漏率显著下降，同时，槽深越大泄漏率 化规律；在考虑离心惯性力效应作用时，其泄漏率在
也越大. 值得注意的是，这一变化规律与通常泄漏率 低转速下变化不大，然而，在高转速下泄漏率显著降