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考虑表面粗糙度的柔性箔柱面气膜密封紊流特性分析

作者：王学良刘美红熊忠汾李鑫来源：《化工学报》日期：2022-05-20人气：855

引言

氢气压缩机作为氢气等清洁能源生产和运输的关键设备，绿色工业应用前景广阔，可助力于实现国家能源行业的绿色低碳发展，但氢气压缩机因次级流道泄漏导致的涡态气旋和热损耗，使得氢气压缩机面临着功率不稳定输出以及设备寿命骤减等问题[1-3]，与之相对应的突出问题是传统密封技术无法满足氢气压缩机高界面转速下低泄漏、低磨损和低功耗等要求，因而亟需研发先进密封技术的结构。现如今，国内外普遍认可柱面气膜密封结构是一种先进密封结构[4-5]。柔性箔柱面气膜密封作为柱面气膜密封结构形式之一，基于气膜楔形动压原理和箔片的结构变形来实现高效的次级流道密封，该密封结构由Salehi等[6-9]于20世纪90年代末提出，已被应用于氢气压缩机，理论线速度可达365 m/s。柔性箔柱面气膜密封通过控制次级流道的气体泄漏，可以极大减少氢气压缩机的机械损失，提高氢气压缩机的工作效率。

柔性箔柱面气膜密封动浮环界面受制造工艺、启停阶段碰磨以及热振变化等因素影响，动浮环表面将发生摩擦磨损，致使气膜流动状态从层流向紊流状态过渡，造成气膜失稳破坏，导致动浮环界面发生碰撞，引起摩擦自激[10]，摩擦自激反过来加剧了柔性箔柱面气膜密封界面磨损，直至柔性箔柱面气膜表面形貌磨损失效，这些失效的发生严重制约了柔性箔柱面气膜密封结构的进一步发展。为改善柱面气膜的流动特性，提升密封气膜的稳定性，马纲等[4, 11-14]分析求解了柱面直线螺旋槽等槽型的气膜密封特性以及准动态特性系数，Ha等[15]基于三维计算流体力学方法求解了柱面气膜密封的动力学特性系数，苏泽辉等[16]则通过设计具有双向特性的T型槽来改善密封气膜的稳态特性，陈文杰等[17]建立了考虑表面粗糙度效应的圆孔型织构混合润滑有限元模型，研究了非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载力影响，Wang等[18]针对T型槽，预测了不同微观结构参数下柔性箔柱面气膜密封动态特性系数的变化，陈源等[19]在考虑轴向振动的情况下，对干气密封系统的动态特性系数进行了求解分析，Hou等[20]考虑了离心率和转子倾斜的影响，探究了反转轴间柱面气膜密封的密封稳态特性，这些学者的研究为气膜密封结构优化以及密封气膜的稳定运行提供了理论依据，但其对气膜密封特性的分析研究主要集中于微尺度下槽型参数变化和表面织构等理论设计对密封气膜稳态特性的影响，只分析了理想状态下光滑界面的气膜稳态特性，忽略了气体流态特性、微观表面形貌变化等诸多因素对气膜密封性能的影响。在实际工程中，与表面形貌变化相关的气膜流态特性变化不容忽视。张肖寒等[21-23]基于紊流模型分析了端面气膜密封稳态性能，考虑了表面形貌对端面气膜流态特性的影响。彭旭东等[24]建立了粗糙表面端面气膜密封性能的有限元分析模型，对端面螺旋槽结构进行了优化设计。随后，刘梦静等[25]分析研究了随机粗糙表面上的滑移流效应，考虑了边界滑移流对干气密封的影响。Sahlin等[26]直接分析了织构表面形貌变化对干气密封流态性能的影响。杨姗姗[27]则基于分形接触理论模型，对粗糙度微通道的性能变化进行了分析研究。孙雪剑等[28-29]分析了表面粗糙度引起的表面形貌数变化对干气密封性能的影响，并针对气膜密封启停阶段的动态接触特性分析，探讨了扰动条件下，表面形貌对端面气膜动态特性系数的影响。丁雪兴等[30-34]基于分形接触模型，对干气密封的界面密封性能进行了研究，这些学者的研究考虑了气膜流态特性变化对密封性能的影响，分析了启停阶段界面接触刚度引起的界面变形，但并未将表面形貌的变化与气膜流态特性的变化直接关联，而气流流态特性的变化不仅受工况与气体介质变化的影响，还与表面形貌的变化密不可分，因此，将表面形貌、紊流模型与工况参数有效结合，分析不同工况对密封气膜特性的影响，亟待分析解决。

为探究表面形貌变化对气膜密封稳态性能的影响，本文基于雷诺动压理论，考虑箔片以及转子轴套表面受制造工艺以及启停阶段的影响，将表面形貌、紊流模型与气体工况变化三者有效协同，模拟分析了柔性箔柱面气膜密封在不同表面形貌下的密封稳态特性变化，建立了预测柔性箔柱面气膜密封的紊流模型。与此同时，本文设计了气膜密封循环周期实验，在循环周期试验条件下，观测表面粗糙度变化对气膜密封迟滞的影响。