Page 106 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 严如奇, 等: 离心惯性力效应对超临界二氧化碳干气密封流场与密封特性影响分析 789

低且近似以线性方式下降. 在相同的工况与槽型参数 导致的降温与离心惯性力效应导致的温降，进而引起
下，考虑离心惯性力效应作用的泄漏率明显比不考虑 出口温度的明显升高；当不考虑离心惯性力效应作用
离心惯性力效应作用的泄漏率要小，而且转速越大这 时，离心惯性力效应导致的温降将不予考虑，此时，出
一差异越大. 出现该现象是因为，惯性力的方向与气 口温度完全由黏性耗散产生的温升与二氧化碳膨胀
体流动的方向相反，阻碍气体的流动，相应的进入密 导致的温降共同决定. 此外，转速越大，离心惯性力效
封间隙内密封介质减少，所以转速越大，离心惯性力 应导致的温降越显著，所以在高转速下，考虑离心惯
效应越强，相应的泄漏率就越小. 但从减小泄漏率来 性力效应时的出口温度比不考虑离心惯性力效应时

说，离心惯性力效应具有有益的作用. 的出口温度低. 但在考虑离心惯性力效应作用时，转
由图6(c)可以看出，在不同槽深下，不论考虑离心 速大于40 000 r/min以后，随着槽深的增加，密封出口
惯性力效应与否，密封出口温度基本上具有相同的变 温度随转速的增长率显著降低，而且深槽下的出口温
化规律. 只是考虑离心惯性力效应时，出口温度比不 度比浅槽下的低. 因此，如果综合考虑开启力、泄漏率

考虑离心惯性力效应时的低，而且随着转速的增加这 和相变等因素，合理的浅槽具有显著的优势.
种差异逐渐增大. 从前文对图4的分析可以看出，在考 2.4 膜厚对密封特性的影响
虑离心惯性力效应时，影响气膜温度的因素有三点， 从对转速对密封特性的影响可以看出，槽深对密
分别是黏性耗散、压力变化和离心惯性力效应. 转速 封特性有显著影响. 而整个流场是由槽深与膜厚构成.
小于25 000 r/min时，黏性耗散效应引起的温升较小， 因此，对同样是影响流场的膜厚，有必要进行考虑离
不足以显著抵消二氧化碳膨胀导致的降温与离心惯 心惯性力效应与不考虑离心惯性力效应作用下的密
性力效应导致的温降，所以出口温度才以近似线性方 封特性分析. 同样，在表1与表2其他数据不变的情况
式随转速缓慢升高；转速大于25 000 r/min时，气膜内 下取不同膜厚，然后分别计算了开启力、泄漏率以及
黏性耗散效应形成的温升可有效补偿二氧化碳膨胀 出口温度，分别如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示.

18.5 9
5 μm-lnertialess
18.0 7 μm-lnertialess 8 7 5.0
Opening force, F o ×10 3 /N 17.0 5 μm-lnertia Leakage rate, Q m /(g/s) 6 5 4 3 4.6 6.8 7.0 7.2 5 μm-lnertialess
9 μm-lnertialess
17.5
11 μm-lnertialess
4.8
7 μm-lnertia
9 μm-lnertia
16.5
4.4
11 μm-lnertia
16.0
7 μm-lnertialess
11 μm-lnertialess
15.5
5 μm-lnertia
7 μm-lnertia
15.0 2 9 μm-lnertialess
1
9 μm-lnertia
14.5 0 11 μm-lnertia
2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Film thickness, h 0 /μm Film thickness, h 0 /μm
(a) Opening force vs film thickness (b) Outlet temperature vs film thickness
−10
5 μm-lnertialess −35
7 μm-lnertialess
Outlet temperature, T o /℃ −20 11 μm-lnertialess −36 5.8 6.0 6.2
−15
9 μm-lnertialess
5 μm-lnertia
7 μm-lnertia
−37
9 μm-lnertia
−25
−38
11 μm-lnertia
−30
−35
−40
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Film thickness, h 0 /μm
(c) Outlet temperature vs film thickness

Fig. 7 Influence of film thickness on outlet temperature，leakage rate and opening force
图 7 膜厚对开启力、泄漏率和出口温度的影响