Page 107 - 《摩擦学学报》2020年第6期

790 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

从图7(a)可以看出，不论考虑离心惯性力效应作 的变化没有改变.
用与否，在不同的槽深下，气膜开启力均随气膜厚度 e. 为建立更精确的S-CO 干气密封数值计算模
2
的增加呈非线性减小，且考虑离心惯性力效应作用的 型，探究密封间隙内相态转变与密封特性变化规律，
气膜开启力比不考虑离心惯性力效应作用的气膜开 今后还需考虑对流惯性力效应、科氏惯性力效应、阻
启力小. 随着槽深的增加，气膜开启力增大，似乎增加 塞流效应、湍流效应和对流换热的影响.
槽深可以提高开启力. 但从对图6(a)的分析中已知，转 符号说明
速与槽深之间存在最佳工况点，因此，只有在最佳工 θ—展开角度， rad

况点以内增加槽深才有意义. r —端面气膜任意一点的半径， mm
图7(b)显示了膜厚对泄漏率的影响，从图中可以 r g —螺旋槽槽根半径， mm
看出，是否考虑离心惯性力效应作用，泄漏率均随气 α—螺旋角， rad
膜厚度的增加以非线性方式增大，且相比于膜厚来 β—槽台比
说，不同槽深引起的泄漏率之间的差异较小. 泄漏率 r —密封环内半径， mm
i
之所以随着膜厚的增加而增大，是因为膜厚越大，进 r —密封环外半径， mm
o
入密封间隙内的气体介质越多，因此，膜厚对泄漏率 N —螺旋槽槽数
g
有着显著的影响. 同样，考虑离心惯性力效应作用的 h —螺旋槽槽深，μm
g
泄漏率比不考虑离心惯性力效应作用的泄漏率小. h 0—气膜厚度，μm
膜厚对出口温度的影响如图7(c)所示，通过分析 u —气膜径向速度， m/s
r
可以得出，不论考虑离心惯性力效应作用与否，气膜 u θ —气膜周向速度， m/s
出口温度随着膜厚的增加呈非线性减小，但有惯性作 q —径向体积流量， m /s
3
r
用的出口温度要比无惯性作用的温度低. 在膜厚小于 q θ —周向体积流量， m /s
3
4 μm时有较大的变化率；膜厚大于4 μm时，出口温度 Z —压缩因子
的变化率相对较小. 小膜厚之所以有较高的出口温 η—黏度， Pa·s
度，是因为膜厚较小时，沿着膜厚方向有较高的速度 P —临界压力， MPa
c
梯度，相应的耗散效应加强，进而引起较高的出口温 T —临界温度， K
c
度. 因此，对于S-CO 气密封来说，小膜厚对气膜温升 T —对比态温度
2
r
的提高，可有效避免凝结流动，但需要综合考虑动、静 ε—二氧化碳的偏心因子
(
环在高温、高压下发生变形之后不发生碰摩为前提. R —气体常数， kJ/ kg·K )
g
R—通用气体常数， kJ/(kmol·K)
3 结论
M —分子摩尔质量， kg/kmol
a. 以S-CO 螺旋槽干气密封为研究对象，基于N- W—机械功， J
2
S方程与能量守恒定律，建立了考虑离心惯性力效应 W flow —流动功， J
作用下的能量控制方程. W friction —摩擦功， J
(
b. 离心惯性力效应具有削弱S-CO 干气密封流场 c —定容比热容， kJ/ kg·K )
v
2
内压力、温度的作用；气膜内温度不再以等温规律变 p ，p —进、出口压力， MPa
i
o
化；从避免凝结流动角度考虑，离心惯性力效应引起 T ，T —进、出口温度，℃
i
o
的温降将不利于S-CO 干气密封. F —气膜开启力， N
o
2
c. 考虑离心惯性力效应作用时，气膜开启力在不 Q —质量泄漏率， g/s
m
同槽深与转速下存在最佳工况点，泄漏率随着转速的 参 考 文 献
增加显著减小，深槽下的密封出口温度增长率变小；
[ 1 ] Yang Junlan, Ma Yitai, Zeng Xianyang, et al. Study on the
离心惯性力效应与膜厚之间没有强交互作用.
properties of CO 2 fluid at supercritical pressure[J]. Fluid Machinery,
d. 考虑离心惯性力效应作用时，气膜开启力、泄
2008, 36(1): 53–57, 13 (in Chinese) [杨俊兰, 马一太, 曾宪阳, 等.
漏率、出口温度均比不考虑离心惯性力效应作用时 超临界压力下CO 2 流体的性质研究[J]. 流体机械, 2008, 36(1):
小，且这种差异随着转速的增大而增加，而随着膜厚 53–57, 13]. doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2008.01.014.