Page 56 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 秦鹏博, 等: 偏心迷宫密封动静特性研究 739

Full 360° seal computational
model with an eccentric rotor
Gambit
Full 360°seal computational
mesh with an eccentric rotor
Eccentric rotor Rotor rotating
ANSYS CFX ,Steady state solution
rotating velocity, ω
Steady state results of
eccentric seals (Initial file for
transient solution)
Pressure and shear Integrating along ANSYS CFX ANSYS CFX,
stresses acting on rotor circumference Eccentric rotor Rotor rotating
Transient solution whirling velocity, ω and whirling
Fluid-induced response frequency, Ω
forces acting on
rotor surface Transient solution
results
Derivative with respect
Force-displacement Bessel-Spline to displacement ANSYS CFX , Set the monitors of
fitting curves method force and displacement
Static stiffness
coefficients Transient whirling displacement
and Fluid-induced response forces
Computation of static stiffness coefficients The identification method based
on infinitesimal theory
Dynamic coefficients of
seal at different eccentric
ratio and whirling frequency
Computation of dynamic characteristic coefficients

Fig. 6 Flow chart of numerical solution
图 6 数值求解流程图

用基于微元理论的密封动力特性识别方法计算得到 C eff ，其定义为 [17, 22]
)
(
密封动力特性系数.  K avg = K xx + K yy /2


 ( )

表3列出了计算工况条件. 工质为空气(理想气  C avg = C xx +C yy /2 (17)

 ( )
 C eff = C avg − K xy − K yx /2Ω
体)，采用标准 k −ε湍流模型，湍流强度5%. 密封进口
、
设置总温、总压，出口设置平均静压，定、转子壁面设 式中： K xy K yx 为 x与 y方向上的交叉刚度系数， C xx 和
C yy分别为 x与 y方向上的直接阻尼系数， 为涡动速度.
Ω
置为绝热光滑无滑移壁面.
图7给出了数值计算与试验对比情况，本文数值
表 3 计算工况条件
计算结果与试验结果基本吻合. 与试验结果相比，数
Table 3 Calculation conditions
值计算得到的直接刚度和直接阻尼偏小，交叉刚度系
Simulation condition Specification
Fluid Air (ideal gas) 数高于试验值，有效阻尼在涡动频率 Ω i < 60 Hz时大
Turbulence model k - ε 于试验值，在 Ω i ⩾ 60 Hz时与试验值吻合较好. 数值计
Wall properties Adiabatic，smooth surface 算结果与试验值在趋势上基本一致，直接阻尼系数和
Whirling frequency，Ω/ Hz 20，40，60， ··· ，240，260
Time step / s 1/500 Ω i 交叉刚度系数与频率无关，而直接刚度系数随涡动频
Inlet temperature，T/ K 287 率的增大呈二次降低趋势，在低频下，密封表现出正
Inlet pressure，P in /bar 6.9
直接刚度，随着涡动频率的增大发展为负直接刚度.
Outlet pressure，P out / bar 1
Rotational speed，ω/ rpm 15 000 可见，本文数值方法能够有效地预测迷宫密封动力特
Eccentricity ratio，ε 0，0.1，0.2， ··· ，0.8，0.9
性系数.
Eccentricity direction Y positive direction

3 结果与讨论
2.4 数值方法验证
为验证本文数值方法的准确性，将偏心率 ε = 0时 3.1 密封静态特性分析
[17]
数值结果与Ertas等 的试验结果进行对比分析. 引入 3.1.1 密封泄漏特性
平均直接刚度 K avg 、平均直接阻尼 C avg 及有效阻尼 图8给出了密封泄漏量随转子偏心率的变化. 偏