Page 58 - 《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 741

595 490 357
Pressure distribution/kPa 585 ε=0 ε=0.1 Pressure distribution/kPa 484 Pressure distribution/kPa 355
488
590
356
486
482
580
354
480
575
353
478
570
ε=0.5
ε=0.3
ε=0.7
ε=0.9
ε=0.9
ε=0.7
474
565 ε=0.3 ε=0.5 476 ε=0 ε=0.1 352
351
0 60 120 180 240 300 360 0 60 120 180 240 300 360 0 60 120 180 240 300 360
Circumferential angle/(°) Circumferential angle/(°) Circumferential angle/(°)
(a) The third cavity (b) The seventh cavity (c) The eleventh cavity

Fig. 9 Effects of the eccentricity ratio on the circumferential pressure in seal cavities
图 9 偏心对密封腔内周向压力分布的影响
60 −170 图12给出了在不同偏心率下大、小间隙压差沿流
F r
−180 动方向的变化. 可以看出，密封大、小间隙压差随偏心
50 K −190 率增大而逐渐增大. 除上游前两个腔室外，其余部分
The radial force, F r /N 40 −200 Static direct stiffness, K/(kN/m) 大间隙侧压力均大于小间隙侧压力，会产生与转子偏
30
心方向相同的气流力，加剧转子偏离中心位置. 这种
−210
20
接刚度，诱使转子系统失稳.
−230
10 −220 压差变化导致密封产生随偏心率而变化的负静态直
0 −240 60
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ε=0 ε=0.1
Eccentricity ratio, ε 50 ε=0.3 ε=0.5
ε=0.7 ε=0.9
Fig. 10 The radial force and direct static 40
stiffness versus eccentricity ratios 30
图 10 密封径向力及静态直接刚度系数随偏心率的变化 Pressure difference/kPa 20
0 −60 10
F t −70 −10 0
−5
k
The tangential force, F t /N −10 −80 Static cross-coupled stiffness, k/(kN/m) Fig. 12 The pressure difference between the maximum
−20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
−15
−90
Axial position/mm
−20
−100
and minimum clearance along the axial leakage
−25
path for various eccentricity ratios
−30 −110 图 12 不同偏心率下密封大、小间隙压差沿轴向变化
−120
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Eccentricity ratio, ε
本文偏心迷宫密封大间隙侧压力大，小间隙侧压

Fig. 11 The tangential force and static cross-coupled
力小，这个结论与Lomakin效应相反. 这是由于迷宫密
stiffness versus eccentricity ratios
图 11 密封切向力及静态交叉刚度系数随偏心率的变化 封中流动类似喷嘴的小间隙射流，流动在密封齿处被
不断加速至超音速. 随着偏心率的增大，小间隙侧齿
静态交叉刚度 k为负值，有利于密封系统的稳定性，在 顶间隙高度远小于齿顶宽度，不能再忽略壁面摩擦
低偏心率( ε ⩽ 0.5)下 k同样变化较小，但偏心率的增大 力，流动黏性效应增强，减弱了传统Lomakin效应.
[22]
会引起 k绝对值的降低，影响密封系统稳定性 . 图13给出了不同偏心率下大、小间隙马赫数沿流
[2]
根据Lomakin效应 ，在小偏心下轴向压降会使环 动方向的变化. 可以看出，大、小间隙侧的马赫数在密
形密封具有正静态直接刚度，但本文迷宫密封的静态 封出口段均大于1，即出口段存在阻塞. 密封大间隙侧
直接刚度呈现负值，而负静态直接刚度会导致环形密 马赫数随偏心率变化较小，小间隙侧马赫数受偏心率
封静态不稳定. 影响较大. 尽管小间隙侧速度随偏心率增大而降低，