基于Fluent的迷宫密封充、抽气系统仿真与分析

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Simulation and Analysis for Air Filling/Extraction System of LabyrinthSealing Based on FluentZHANG Honglin(Xian Siyuan University，Xian Shaanxi 710038，China)Abstract：Fluent software was used to make two phase flow transient simulation for the straight labyrinth seal and staged labyrinthseal of air filing/extraction system.When the flow field was in a stable condition，its pressure，velocity，and phase diagram were ana-lyzed.It is verified that the non-contact power sealing system has efective sealing function with minimum friction loss.It provides newideas for sliding bearing seal design of high-speed electric spindle。

Keywords：Labyrinth seal；High-speed electric spindle；Water lubrication；Air filing/extraction system水的黏度只有油液黏度的 1/100～1/20，用于超高速转子的润滑可有效地减少油液内摩擦所产生的热量，可考虑作为超高速电主轴动静压滑动轴承的润滑剂和冷却剂。但正因为水具有相对较低的黏度，滑动轴承两侧的泄漏量也会更大-些。

迷宫密封属非接触式密封，用于滑动轴承两侧的密封，可最大限度地减少超高速旋转的转子在密封时的摩擦损耗与发热。但迷宫密封不可避免地会存在泄漏，为了防止水泄漏至电机造成电主轴的烧毁，作者设计的高速电主轴的充、抽气系统迷宫密封借鉴了航空发动机的密封思路，为迷宫密封设计了充、抽气系统 ，如图1所示 ，目的是为了使用非接触密封但完全杜绝水的内泄及外漏。

电图1 电主轴滑动轴承及其密封系统示意图水属于腐蚀性介质，特别是电机通电的情况下，- 般钢类金属更易发生电化学腐蚀。因此文中电主轴采用不锈钢材料，滑动轴承及其密封采用-体化设计(便于加工，保证其同轴度)，使用青铜材料。其中图1左端密封为直通式迷宫密封，右端则考虑主轴的抗弯强度，设计了-个阶梯，属于阶梯式迷宫密封。

作者对两种迷宫密封设计方案进行仿真，考察其密封的可靠性。

另-方面，采用-体化设计也是因为迷宫密封中流体膜 (气膜或水膜)与动压滑动轴承的油膜类似，动力特性中的交叉刚度是促使转子做非同步低频涡动的激振力来源，而动特性中的直接阻尼又可以生成对这种低频涡动的抑制力。因此这种-体化设计也有改变水润滑滑动轴承涡动频率、提高临界转速的作用，而迷宫密封内水、气流场的分布则直接影响了该电主轴所能达到的最高转速 ，从这个角度讲也有必要对其进行流场分析。

1 仿真模型的建立该电主轴设计以5×10 r/min的速度旋转，这种超高速转动无疑会对迷宫密封内流体的流动产生极大的影响，但当转子与密封保持同心状态时，流动参数仅沿流线方向和径向不同，而在圆周方向是相同的，因此可以利用二维轴对称CFD模型来求解。由1907年Becker 的实验研究发现，转速对密封，泄漏流量收稿 日期 ：2012-08-30作者简介：张宏林 (1972-)，男，硕士，工程师，主要从事数控机床的教学与科研工作。E-mail：elihui677543###si-· 114· 机床与液压 第41卷的影响不大；Steven等 的研究显示，密封效果的好坏主要依赖于密封间隙的节流作用和齿间空腔的流动形式。因此对密封流动的二维近似是合理的，可以基本反映密封腔内部流动情况，正确评估各种参数对泄漏流量的影响。且二维轴对称模型只需在静止参考系中求解，这时流称算花费的代价最小，大大提高CFD计算的效率。

利用Fluent专用前处理器 Gambit建立密封系统的轴对称二维模型，为了考察该系统最大密封及排水能力 ，将该水润滑动静压滑动轴承与轴的配合间隙由设计的0.015 mm改为0.1 mm。由泄漏量与密封间隙的立方成正比知，仿真模型将轴承的泄漏量扩大了296倍，如图 2所示。

滑动端面水入图2 阶梯式迷宫密封充、抽气系统二维模型划分网格时对缝隙处网格进行加密。为防止过大的长宽比造成计算误差过大 ，也为详细观察流场的流动情况，采用0.1 mm划分网格，其中缝隙处划分5层网格，其长、宽方向的网格尺寸分别为 0.1和0.05 mm。为防止网格尺寸变化率过大，对该二维几何模型进行了必要的分块。划分后的网格数量为53 165和 59 025，如图 3。

G图3 迷宫密封流场网格划分2 数学模型迷宫密封中的液体流动采用雷诺平均的Navier。

Stokes方程及可实现k- 湍流模型来描述。其中包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能方程和耗散率方程。使用散度符号可将其方程写成非定常通用形式 ：div(p )div( 咖)1s (1)式中：P为流体密度；U为流体速度矢量；通用变量代表速度、 和k、s等求解变量； 为广义扩散系数；S 为广义源项。

对式 (1)的离散采用有限体积法，其中扩散项的离散采用中心差分格式，对流项的离散采用二阶迎风格式。压力差值格式采用标准插值，压力速度耦合采用压力的隐式算子分割算法 (PISO)。

3 计算模型和边界条件将划分好网格的模型导入Fluent，并对求解器进行必要的设定。因流场中含有多处狭小缝隙，故选用二维双精度计算模型；因流场中既含有水又含有空气，故选用水、气二相流 VOF模 型，并将密度较小的空气作为主相 。附加初始化时，在滑动轴承端面泄漏缝隙处预先存满水，以加速计算过程。

作者是想求出系统处于稳定状态时，是否有水泄出，属于稳态问题。但即使系统处于稳态时，其流场的压力、速度、流线也处于时时变化中，因此只能采用瞬态 (非定常)方法仿真，计算的时间步长设置为1×10 S左右，这就大大增加了计算量，需要较高端的计算机长时间运算。

采用有限容积法离散控制方程。连续方程、动量方程和能量方程的离散格式为二阶迎风格式，湍动能和耗散率方程采用-阶迎风格式。

由于密封中的气体为高速可压流体，计算采用耦合式求解器 。计算收敛的判别条件是：连续方程、能量方程、速度、湍动能及耗散率的残差都小于 1×l0～，且进出口质量流量相差小于 5%。

表 1 工况参数和几何参数转轴半径/mm齿倾角/(。)齿间距/mm齿高/mm齿尖宽度/ram齿间间隙/mm充气压力/MPa抽气压力/MPa润滑水压力/MPa泄漏出口压力/MPa4 迷宫密封充、抽气系统流场分析4.1 阶梯式迷宫密封流场分析该系统经过 0.05 S的运行，流偿渐地稳定至- 定状态，不再发生实质性改变。此时转入稳态计算方法继续运行，得到以下流常由图4可以看到：压力降主要发生在密封齿顶处，在密封腔内的压力值则基本相等。由于缝隙的节5 7 0 l ∞ 2 n · l16· 机床与液压 第41卷5 三维整体模型二维模型虽可得到较为精细的流场，但无法模拟偏心时的运行状态。为了得到更准确、可信的结论，建立了接近实物运行状态的偏心模型；而二维计算的结果可为三维偏心模型提供人口边界条件，如湍动能和耗散率等 。三维模型设计成对称结构，并只取其中的-半，如图12所示。经过长时间计算，与二维仿真的计算结果有所不同，但结论相同，即这种密封系统运行是可靠的。但因其网格偏粗，得到流场的图形反倒没有二维的精细，这里不再赘述。

图 12 三维流场模型及网格划分6 总结(1)这种高速电主轴的迷宫密封充、抽气系统需要额外的动力辅助装置，且每-个迷宫密封的储水环形槽都需要与均布的3个管道相连，特别是储气槽，为了进气的均匀，需要与-圈32个进气管相连，结构设计上比较复杂。

(2)二维轴对称 CFD能正确迅速计算密封泄漏量 ，并且为三维偏心模型提供边界条件 ，得出更精细的流场分析。

(3)这种迷宫密封充、抽气系统在摩擦损耗最小的前提下提供可靠的密封，是水润滑超高速电主轴密封的新思路。