Page 119 - 《摩擦学学报》2021年第1期

116 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

The optimal value of the convex plate width to make the sealing system the best stability was 5.13 mm in this paper.
With the decrease of seal clearance, the effective damping coefficient increased and the frequency dependence increased.
The leakage flow rate of staggered labyrinth seal was 45.5% lower than that of conventional labyrinth seal. Compared
with the original model (b=4 mm, c 2 =0.5 mm), the leakage flow rate of 5.13 mm convex plate width and 0.4 mm seal
clearance was reduced by about 5% and 19%, respectively. The leakage flow rate of staggered labyrinth seal decreased
with decreasing of seal clearance.
Key words: staggered labyrinth seal; computational fluid dynamics (CFD); supercritical carbon dioxide; leakage
characteristics; dynamic stability

密封是透平机械的重要组成部分，其泄漏及动态 对SCO 高低齿梳齿密封动力学特性的研究尚鲜有报
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稳定性是影响机组高效、安全稳定运行的关键 [1-3] . 高 道，缺乏相关科学数据.
低齿梳齿密封因其良好的抑制流体泄漏性能与结构 本文中采用计算流体力学方法建立高低齿梳齿
简单等优点，被广泛应用于各类透平机械 [4-6] . 近年，以 密封全三维数值分析模型，应用基于微元理论的密封
超临界二氧化碳为工质的透平机械动力循环正在全 动力特性识别方法，对以SCO 为工质的高低齿梳齿密
2
[9]
[10]
[7]
[8]
球范围内兴起 ，美国 、日本 及韩国 等已有设计 封动力特性系数进行识别，分析高低齿梳齿密封凸台
宽度、密封间隙对其动静特性的影响规律，并与传统
完成并投入试验系统中使用的SCO 压缩机设备.
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SCO 密封性能是保证其高效与安全运行的关键与核 梳齿密封进行对比分析.
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心技术，同时也是目前该领域研究的热难点之一. 1 密封动力特性系数求解方法
SCO 透平机械具有高温、高压和高密度等特点，
2
面临严重的泄漏以及由于流体激振诱发的转子系统 图1为密封转子动力特性识别模型，其中，O为静
子中心， O 为转子中心，O 为转子涡动中心. (X,Y)坐
′
[11]
[12]
失稳等问题 . Trivedi等 搭建了静止(零转速)SCO 2 1 1
标系以O为原点，绕点O 逆时针方向旋转一定角度
试验台，测量动静端面结构、气膜厚度及压比对干气 1
θ时，e轴与椭圆轨迹的长半轴重合，建立 (e,α)坐标系.
密封气膜刚度的影响规律. Yuan等 [13-14] 采用试验测试
[21]
应用基于微元理论的密封动力特性获取方法 ，可求
和数值模拟方法对密封中SCO 流动进行研究，指出增
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解实际情况下任意椭圆涡动轨迹的密封动力特性.
大间隙会提高密封泄漏率，增加腔宽效果则相反；对
涡动位移：
于密封腔高和齿数，则会存在1个最佳值使密封泄漏
{ e = m·cos(Ω i t)
[15]
降到最低. Bidkar等 针对SCO 透平机械循环效率的 α = n·sin(Ω i t) (1)
2
影响因素(即轴端泄漏损失)进行分析，指出采用传统
涡动速度：
梳齿密封时，且忽略轴端泄漏损失的影响下，循环效
{
˙ e = −m·Ω i ·sin(Ω i t)
[16] (2)
率约降低了0.55%~0.65%. 李志刚等 研究了GE 450 MWe ˙ α = n·Ω i ·cos(Ω i t)
[17]
SCO 透平轴端密封封严性能. Zhu等 采用数值模拟 涡动加速度：
2
方法对SCO 交错齿梳齿密封的泄漏特性进行研究，指 {
2
2
¨ e = −m·Ω i ·cos(Ω i t)
出与直通式梳齿密封相比，交错式梳齿密封具有更优 (3)
2
¨ α = −n·Ω i ·sin(Ω i t)
[18]
的封严性能. Fairuz等 针对进口压力分别为4.6和8.5 MPa
考虑气体质量惯性力影响，其密封动力学线性模
时，研究不同工质的物性对干气密封泄漏量计算精度
型为
的影响，指出真实气体物性对SCO 密封泄漏性能影 { } [ ] [ ] { }
2
e
[19]
C ee
响. Du等 分别研究了不同进口温度、压力下空气与 − ∆F α = K αe K eα { α }+ C αe C eα ˙ e ˙ α +
∆F e
K ee
K αα
C αα
SCO 工质对螺旋槽干气密封性能的影响. 沈伟等 分 [ M ee M eα ] { ¨ e } (4)
[20]
2
析了不同介质条件(即压力和速度)下，SCO 干气密封 M αe M αα ¨ α
2
的惯性、湍流和实际气体效应分别对泄漏率及气膜刚 将公式(3)代入公式(4)得：
{ } [ ]
2
2
度的影响规律，结果表明：惯性效应对泄漏率及气膜 − ∆F e = K ee −Ω M ee K eα −Ω M eα { α }+
e
2
2
∆F α K αe −Ω M αe K αα −Ω M αα
刚度影响较弱，而实际气体效应使两者都显著增大， [ ] { }
C ee C eα ˙ e (5)
湍流效应则使气膜刚度增大、泄漏率减小. 综上所述， C αe C αα ˙ α
、
可见当前国内外研究主要局限于SCO 密封泄漏特性， 式中： ∆F e ∆F α 为转子所受气流力同静态气流力之
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