基于公理設計理論的高工況螺旋槽機械密封優化方法

李建克, 劉晨陽, 雷龍生, 王建磊, 賈謙

1.西安中科宇動動力科技有限公司， 陜西西安 710066； 2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院， 陜西西安 710048；3.西安交通大學城市學院機械工程系， 陜西西安 710018

近年來,發展大推力、可重復利用的運載火箭成為各國航天部門的主要目標。機械密封作為火箭發動機渦輪泵的重要運動組件,也向著高工況和集成化方向發展,其中高工況指高介質壓力、高旋轉線速度、低黏度潤滑[1-2]。機械密封在高速高壓低潤滑環境下易磨損失效,這是制約火箭發動機二次利用的主要因素之一。螺旋槽機械密封具有泄漏量低、壽命長等諸多優點[3-4],是可重復利用渦輪泵的一個重要發展方向。

國內外學者從螺旋槽機械密封機理出發,進行了大量研究。其中Richard和Chen等[5-6]重點研究了不同開槽密封的開啟性能及泄漏特性,研究表明在高工況條件下螺旋槽機械密封相較于其他槽型密封擁有更好的動壓特性。王建磊等[7]提出了動壓和靜壓聯合工作的設計方案,旨在解決火箭發動機渦輪泵機械密封的二次利用問題,對動靜壓型機械密封展開了深入研究,并對機械密封核心部件及動壓槽進行了重點設計。趙偉剛等[8]針對渦輪泵機械密封結構與工藝之間相互分離的問題,基于公理設計理論,采用一體化設計方法,得出了結構工藝的一體化設計流程,并對石墨環及其基體材料相容問題進行了重點研究。Chen等[9]對機械密封的加工工藝做了相關的研究,重點考察了電極材料、脈沖寬度等對機械密封制造過程的影響。

上述研究圍繞螺旋槽機械密封機理,最終的目的都是獲得動壓效應更好、使用壽命更長的螺旋槽機械密封結構。但在實際工作中,螺旋槽機械密封仍存在泄漏量過大和密封失效等問題,所以對螺旋槽機械密封結構參數進行優化至關重要。

為提高螺旋槽機械密封方案優化過程的規范化水平,本文將公理設計理論引入螺旋槽機械密封的結構參數優化設計中,為螺旋槽機械密封優化設計提供一套科學的理論框架。

1 優化需求分析與螺旋槽機械密封特征參數提取

螺旋槽機械密封性能的優化方案將直接影響其各項性能,包括開啟力、泄漏量和液膜溫度等,這些性能又綜合影響著密封的效能、壽命和運行穩定性。公理設計理論旨在探究設計過程中的基本公理,建立清晰的設計框架和路線,明晰各類工程中的設計規律,避免產生不可預知或錯誤的設計結果。域的概念是公理設計理論的核心,公理設計中所涉及的域有4個,分別稱之為用戶域、功能域、物理域和過程域。其中,用戶域(customer attributes,CA)的含義是設計產品時最初的期望,也就是對產品最原始的設計需求,用ZCA表示;功能域(functional requirements,FR)可以定義為在方案指定中,產品需要達到的一系列具體的功能要求,用ZFR表示;物理域(design parameters,DP)為在產品實施的方案中能夠滿足功能域的方案集合,用ZDP表示;過程域(process variables,PV)是基于結構域的方案集合而制定的工藝參數,用ZPV表示。

圖1 螺旋槽機械密封結構示意圖

對螺旋槽機械密封的需求進行分析可以得到用戶域(CA),這也是利用公理設計方法對螺旋槽機械密封結構參數進行優化設計的第一步。在對諸多學者研究內容進行分析后,可以得到螺旋槽機械密封性能優化的需求為:①在額定轉速下擁有更低的泄漏量;②在保證泄漏量達到要求的前提下擁有更強的流體動壓效應,即獲得較大的密封端面開啟力,對密封槽型參數進行優化,提升開啟力;③減少密封端面磨損,保證螺旋槽機械密封運行穩定性并延長使用壽命。

對螺旋槽機械密封性能優化需求進行劃分:螺旋槽機械密封擁有較好的流體動壓效應;螺旋槽機械密封不發生泄漏或泄漏率較小;螺旋槽機械密封端面液膜溫升小;螺旋槽機械密封使用壽命長;螺旋槽機械密封工作穩定性好。需求劃分可以為后續的功能分解提供具體參照。

2 基于高工況螺旋槽機械密封性能優化的ZFRs分解及其ZDPs映射

2.1 第一層ZFRs分解及其ZDPs映射

根據公理設計思想,對螺旋槽機械密封進行結構優化。首先在了解本次設計對象功能需求的基礎之上,根據公理設計的相關原則獲得最高層ZFRs并進行ZDPs映射,如圖2所示。

圖2 螺旋槽機械密封優化需求示意圖

本文對第一層次ZFRs進行的分解與對ZDPs進行的映射如表1所示。設計的具體方程如(1)式所示。

表1 第一層的功能分解及參數映射

(1)

公理設計理論給出了特定的設計方程,且設計矩陣是一個可解耦的三角矩陣。在這個方程中,X表示ZFRs與ZDPs之間的相互對應關系,這些相互對應的關系構成了設計矩陣。本文中的設計矩陣都是滿足獨立公理,具有合理性的三角矩陣。

2.2 第二層ZFRs分解及其ZDPs映射

完成第一層的優化參數描述后,對第二層進行分解,ZDP1開啟力和泄漏量是螺旋槽機械密封結構設計需要考慮的首要問題。密封性是衡量機械可靠性的重要因素之一,因此需要在后續優化過程中預留一定的性能裕度,在此基礎上再確定螺旋槽機械密封的結構參數。在計算開啟力和泄漏量性能時,需精確地確定其系統整體特性,同時也需要對一些特殊工況,如低黏度潤滑、低轉速工況下的密封性能進行著重關注。

ZDP2液膜溫升嚴重制約著密封使用的穩定性能和安全性,因此在優化中需要著重進行考慮,盡量將其做到最優。ZDP3運行壽命,屬于螺旋槽機械密封穩定、長期運行的保證,達到某一要求或標準即可。第二層ZFRs分解及其ZDPs映射如表2所示。

表2 第二層的功能分解及參數映射

根據以上的分解可以獲得第二層的設計方程

(2)

2.3 第三層ZFRs分解及其ZDPs映射

2.3.1 第三層ZFR11分解及其ZDPs映射

首先是ZFR11分解及其ZDPs映射。對于ZDP11改善影響密封性能的相關因素,螺旋槽機械密封性能主要由端面開啟力和泄漏量決定,在螺旋槽機械密封設計過程中影響端面開啟力和泄漏量的相關因素主要有:

1) 螺旋槽機械密封結構參數

螺旋槽機械密封的槽型差異會導致流場動壓分布、開啟力和泄漏量的差異。影響密封性能的結構參數包括槽底半徑、槽深、槽長等。

2) 密封壓力載荷

由于密封動靜環選材不同,其對應的工作壓力范圍也并不相同。機械密封件在進行相對運動時,外部環境的壓力變化與內部產生的沖擊壓力均會導致密封件受壓變形,進而影響密封性能。

3) 螺旋槽機械密封槽型加工精度

目前螺旋槽的加工主要通過激光刻槽。由于現有加工技術限制,激光加工仍有微米級的誤差。這對于僅有幾微米深度的螺旋槽是不可忽視的。當加工誤差達不到設計要求時,可能會導致泄漏增加,動靜環無法脫開的情況,嚴重時會導致整個密封系統失效。

對于高工況螺旋槽機械密封,采用下述措施來提高密封性能:①選用適合工況的開槽形式,對槽底半徑、槽深、槽長、槽臺寬比等槽型結構參數進行優化,選取最優參數組合;②精準計算環境工況壓力,選取匹配工況環境的動靜環材料;③對加工誤差進行設計補償,選取加工精度更高的加工設備。第三層ZFR11功能分解及其參數映射如表3所示。

表3 第三層ZFR11的功能分解及參數映射

根據以上的分解可以獲得第三層ZFR11的設計方程如(3)式所示。

(3)

2.3.2 第三層ZFR12分解及其ZDPs映射

其次是ZFR12分解及其ZDPs映射。對于ZDP12動靜環本體數學建模,可以借助軟件來實現這個過程,動靜環尺寸參數的建模有2項:①動環和靜環的三維建模,采用UG軟件實現;②動靜環結構的仿真模擬,采用ANSYS軟件實現多物理場仿真模擬。第三層ZFR12功能分解及其參數映射如表4所示。

表4 第三層ZFR12的功能分解及參數映射

通過以上分解,可以得到第三層ZFR12的設計方程,表示為(4)式。

(4)

2.3.3 第三層ZFR21分解及其ZDPs映射

對于ZFR21分解及其ZDPs映射,ZDP21影響螺旋槽機械密封運行穩定性的因素主要和以下幾個方面相關:

1) 密封端面液膜溫度過高

溫度在很大程度上影響密封端面液膜的穩定性,由密封介質的剪切力摩擦導致機械密封靜環與動環間隙內液膜溫度升高,當溫升大于端面液膜的飽和溫度時,液膜氣化產生相變,影響密封穩定性。

2) 密封介質含有雜質

在機械密封運轉過程中,由于工作工況復雜密封介質中容易混入雜質(膠體、泥沙、金屬碎屑等)其中含有的雜質與動靜環產生刮擦,影響密封摩擦副端面平整度,造成機械密封性能下降,最終導致失效。

3) 螺旋槽機械密封裝配誤差

螺旋槽機械密封裝配誤差過大,易導致密封運行過程中產生震動、端面碰磨等現象,進而影響密封的運行穩定性。

采用下述措施來提高螺旋槽機械密封運行的穩定性。①對機械密封及時進行溫度補償;②在轉動軸系上添加泵送環結構,增加密封介質流動效率;③對密封端面采用表面織構技術;④減小裝配過程中造成的誤差。第三層ZFR21功能分解及其參數映射如表5所示。

表5 第三層ZFR21的功能分解及參數映射

設計方程如(5)式所示。

(5)

2.3.4 第三層ZFR22分解及其ZDPs映射

對于ZFR22分解及其ZDPs映射,ZDP22密封介質及端面液膜的建模通過軟件來實現的,需要進行的工作包括:①采用UG軟件進行密封端面液膜和密封介質流場的三維建模;②采用FLUENT等仿真軟件進行熱力學和流體動力學計算。第三層ZFR22功能分解及其參數映射如表6所示。

表6 第三層ZFR22的功能分解及參數映射

通過上述分解,可以得到第三層ZFR22的設計方程,即(6)式。

(6)

2.3.5 第三層ZFR31分解及其ZDPs映射

對于ZFR31分解及其ZDP映射,ZDP31是進行螺旋槽機械密封壽命運轉試驗,主要工作包括:①密封壽命測試平臺的搭建,采用相似理論及軟硬件實現;②測試數據的采集及分析,通過在線及離線檢測進行。表7為第三層ZFR31功能分解及參數關系映射。

表7 第三層ZFR31的功能分解及參數映射

(7)式為第三層ZFR31的設計方程,根據上述分解得出的結果。

(7)

2.3.6 第三層ZFR32分解及其ZDP映射

對于ZFR32分解及其ZDP映射,ZDP32是影響螺旋槽機械密封壽命的相關因素,進行的工作包括:①采用MATLAB軟件進行螺旋槽機械密封壽命建模;②采用模糊可靠性的計算方法進行螺旋槽機械密封壽命評估。第三層ZFR32功能分解及其參數映射如表8所示。設計矩陣為對角矩陣表明該設計為無耦合優化設計。

表8 第三層ZFR32的功能分解及參數映射

(8)式可以根據上述分解得到,該方程描述了第三層ZFR32的設計。

(8)

2.4 螺旋槽機械密封性能優化的系統設計與矩陣

螺旋槽機械密封性能優化結構樹見圖3,將螺旋槽機械密封的結構設計分解為14個設計參數,每個設計參數相對應1個功能要求,共14個功能要求。

圖3 螺旋槽機械密封性能優化中ZFR與ZDP的層次結構圖

螺旋槽機械密封性能優化是通過結構參數優化、工況參數優化、制造工藝優化,使螺旋槽機械密封各項性能指標達到設計性能。螺旋槽機械密封設計參數與功能需求關系見表9。

表9 螺旋槽機械密封性能優化設計參數矩陣

根據設計的層次結構,可以得到如圖4所示螺旋槽機械密封公理化優化流程的模塊結點結構圖。從圖4中可以看出機械密封在設計時需要考慮問題的先后順序,圖中的符號C表示模塊間關系為解耦關系,設計時要考慮先后順序。圖中的Mi代表了設計矩陣中每一行的內容,如果給ZDP賦值那么會產生相對應的ZFR。本文中的Mi可以用(9)式來表示

圖4 螺旋槽機械密封性能優化的模塊結點結構圖

(9)

Mi表示ZFR對于ZDP中第i個參數的偏導。從(9)式可以看出在設計參數發生微小變化時,功能需求如何隨之變化。

螺旋槽機械密封優化順序流程圖見圖5。M11表示密封性能設計模塊,M12表示密封本體結構仿真建模模塊,M21表示密封運行穩定性計算分析模塊,M22表示多物理場仿真計算模塊,M3表示運行壽命預估模塊。符號S表示模塊間關系為無耦合,設計時不考慮先后順序。

圖5 螺旋槽機械密封性能優化流程圖

3 設計優化實例

優化某高速低溫介質流體動壓密封,額定轉速20 000 r/min時要求最大泄漏量不能超過5 mL/s,在啟動階段擁有較好的端面開啟性并降低其在運行過程中端面溫升,減少低溫介質汽化。優化前密封結構參數及工況參數如表10所示。

表10 優化前螺旋槽機械密封的工況和結構參數

選取開啟力、泄漏量和端面溫度作為優化評價標準。運用正交試驗法,設計了4因素4水平的L16(44)正交試驗,影響計算的因素分別有槽深hg、螺旋角α、槽數Ng、端面寬度B這4項結構參數。以開啟力、泄漏量為主要優化目標,對各項因素進行極差分析以獲得最優結構參數組合。

采用UG對動靜環和液膜流場進行三維建模;利用ANSYS進行多物理場仿真模擬;利用MATLAB建立起螺旋槽機械密封壽命模型。全液膜潤滑的機械密封端面液膜流場的控制方程和膜厚方程如(10)～(11)式所示。

(10)

式中:φ為液膜密度比,φ=ρ/ρc;ρ為端面間任意點液膜密度;ρc為密封介質的密度。

(11)

表11給出了優化后的密封結構參數。圖5為優化前后螺旋槽機械密封泄漏量隨轉速的變化情況。由圖6可以看出優化前后泄漏量都隨著轉速的增加而增加,在優化槽型結構參數之后泄漏量在20 000 r/min時的計算泄漏量為2.47 mL/s,較未優化時泄漏量降低43.7%。圖7為優化前后螺旋槽機械密封開啟力隨轉速的變化情況。由于在優化目標設計時,優先考慮保證泄漏量盡可能降低,減小了螺旋槽深度,使機械密封端面開啟性下降,開啟力較未優化時出現了降低。由圖8可知優化后的密封端面溫度較優化前的密封端面溫度下降速率更快,這是由于增加了螺旋槽槽數,在原有水平增加了冷卻回路,增加了低溫介質的冷卻循環,它可以帶走更多黏性摩擦產生的熱量,防止溫度過度上升。

表11 優化后機械密封的工況和結構參數

圖6 優化前后泄漏量隨轉速的變化 圖7 優化前后開啟力隨轉速的變化 圖8 優化前后溫度隨轉速的變化

4 結 論

1) 對螺旋槽機械密封性能優化進行了優化需求的提取和分析,提出基于公理設計的螺旋槽機械密封優化方法,實現了3層次的ZFRs分解及其ZDPs映射,并由此發展了螺旋槽機械密封性能優化矩陣。

2) 將優化流程分為密封性能設計模塊、密封本體結構仿真建模模塊、密封運行穩定性計算分析模塊、多物理場仿真計算模塊、運行壽命預估模塊。優化后的螺旋槽機械密封,較未優化時泄漏量降低了43.7%。由于優先考慮降低泄漏量,所以開啟力較未優化時降低。液膜平均溫度較優化前的下降速率更快。優化方法提高了螺旋槽機械密封優化設計的效率和準確性。

3) 運用螺旋槽機械密封優化流程,分析并完成了對某高速低溫介質流體動壓密封的性能優化。