Page 53 - 《摩擦学学报》2020年第6期

736 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

迷宫密封广泛应用于汽轮机、燃气轮机和压缩机 主要集中在同心或小偏心( ⩽ 0.5)情况，对较高静态偏心
等大型透平机械，以减少流体通过动静间隙从高压区 率下的密封动静特性研究还较为鲜见. 在实际运行中
到低压区的泄漏，提高机组运行效率. 同时，密封间隙 引起旋转密封偏心的因素很多，如密封系统动静部件的
流体的不均匀分布还会对转子产生气流力，导致气流 非同心安装、转子径向弯曲、不平衡力或气流激振引起
[7]
激振问题. 随着透平机械向高参数、大功率发展，密封 的转子涡动等 . 转子偏心会引起密封腔内气流沿周
气流激振问题日益突出，因此，密封稳定性已成为影 向压力分布的不均匀，进而在转子表面产生气流力，
响现代透平机械发展的关键问题 [1-7] . 导致转子失稳 [12, 20] . 在工程实际中，大多数旋转密封总
[8]
Rosenberg等 于1974年首次发现偏心密封间隙 是以偏心涡动状态运行，因此，研究偏心密封动静特
周向流动会引发流体激振力. Benckert等 [9-10] 于1980年 性对提高透平机械运行效率和稳定性具有重要意义.
使用装有液压激振器的密封试验台对迷宫密封动力 本文作者应用计算流体力学方法建立了不同偏

特性开展研究，发现迷宫密封刚度系数与偏心率无关. 心率的迷宫密封三维数值分析模型，应用基于微元理
Leong等 于1984年通过试验对此得出类似的结论， 论的密封动力特性识别方法 计算得到迷宫密封动
[11]
[21]
[17]
但他们试验的偏心率最大仅为0.5. 静特性，并与Ertas等 试验数据进行比较，研究转子
Rajakumar等 于1990年通过试验测试了不同偏 偏心对迷宫密封动静特性的影响.
[12]
心率下迷宫密封腔内压力分布，然而，发现转子偏心
1 密封动力特性系数识别方法
会导致密封间隙流动不对称，使密封腔内压力沿周向
变化，且由不均匀压力分布导致的转子表面受力与偏 1.1 偏心密封静态刚度系数识别方法
[13]
心率有关. 1995年，Alexander等 通过试验测试了不 当转子在密封偏心位置做小轨迹涡动时，偏心密
同偏心率( ⩽ 0.5)下光滑环形密封动力特性系数. 发现 封动力特性可线性表示为 [13, 14] ：
密封的偏心运行会破坏转子低速运行稳定性，但在较 { } [ ]{ }
F x K xx (ε) K xy (ε) X
− = +
高转速下偏心对稳定性影响不大，同时指出偏心率对 F y K yx (ε) K yy (ε) Y
[ ]{ }
光滑环形密封动力特性影响显著，与偏心率无关的密 C xx (ε) C xy (ε) X ˙ +
C yx (ε) C yy (ε) Y ˙
封动力特性系数模型仅小偏心率( ⩽ 0.3)下有效. 1997年， [ ]{ }
M xx (ε) 0 X ¨
[14]
Marquette等 研究了静态偏心对光滑环形密封动静 0 M yy (ε) Y ¨ (1)
特性的影响，表明静态偏心位置会影响密封动力特性 其中： F x F y 为转子所受气流力； ∆X ∆Y ∆X ∆Y ∆X 、
˙ 、
、
、
、
˙ 、
¨
系数(尤其是交叉刚度和直接阻尼)，会随静态偏心位 ∆Y分别为转子位移、速度和加速度； K xx K xy K yx 、
、
、
¨
置的变化而变化，并且泄漏量会随偏心率的增加而增 K yy 为密封刚度系数， C xx C xy C yx C yy为密封阻尼系
、
、
、
[15]
大. 2003年，Weatherwax等 测试了偏心蜂窝密封动 数， M xx M yy 为密封惯性项系数，各动力特性系数均与
、
力特性，表明静态无偏心下密封动力特性系数与泄漏 静态偏心率 ε有关，定义为
量在偏心率为0.5时仍然有效，蜂窝密封动力特性系数 e
ε = (2)
[16]
与偏心率无关. 2007年，Arghir等 研究了光滑环形密 C r
封在阻塞流动条件下的静态稳定性，指出密封出口段 其中： e为静态偏心距， C r 为密封径向间隙.
发生阻塞时会产生负直接刚度，并对阻塞流动状态下 图1为密封偏心示意图，其中 F r F t 为密封所受径
、
[17]
的流场进行分析. 2012年，Ertas等 通过试验得到了 向力和切向力.
在密封出口存在阻塞时迷宫密封、袋式阻尼密封和蜂 转子静态偏心时，动力学方程可简化为
[18]
窝密封的刚度与阻尼系数. 2017年，李志刚等 研究 { } [ ]{ }
F x K xx (ε) K xy (ε) X
− = (3)
了袋型阻尼密封的静态动力特性，发现在阻塞工况 F y K yx (ε) K yy (ε) Y
下，密封静态直接刚度会在偏心率为0.5时由负值变为 当密封在Y方向偏心率为 ε时，可得静态直接刚度
[19]
[18]
正值. 2018年，陈璐琪等 研究了密封在阻塞/非阻塞、 系数 K和静态交叉刚度系数 k ：
不同偏心及长径比情况下流动特性和导致光滑环形 

 ∂F y

 K = K xx = K yy = −
密封静态不稳定的影响因素与形成机理.  ∂δ y δ y =εC r




(4)
可以看出，密封偏心程度对迷宫密封动静特性的  ∂F x



 k = K xy = −K yx = −




影响规律尚不清晰，且目前对密封动力特性系数的识别 ∂δ y δ y =εC r