Page 122 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 尹露, 等: 超临界二氧化碳高低齿梳齿密封动力稳定性研究 119

表 3 计算工况参数 0.06
EXP, Yuan
Table 3 Calculation condition parameters 0.05 Current CFD
Leakage flow rate, M/(kg/s) 0.03

Parameters Specification
Fluid S-CO 2 0.04
Turbulence model k-ε
Wall properties Adiabatic，smooth surface
Temperature，T / K 737 0.02
Time step / s 1/(500*f)
Whirling frequency，f / Hz 20，40，…，240，260 0.01
Supply pressure，P in / MPa 5.7 0.00
0.2
Discharge pressure，P out / MPa 5.2 0.2 0.4 Pressure ratio, ε 0.8 1.0
Rotational speed，ω / (r/min) 3 600
Whirling orbit Circle orbit Fig. 6 Experiment and CFD results of the leakage flow rate
Vibration amplitude 6%c 2 vs. pressure ratio for SCO 2
图 6 SCO 2 迷宫密封试验与CFD泄漏量随压比变化

0.1%时，认为计算收敛.
以看出，与传统梳齿密封相比，高低齿梳齿密封转子
2.3 数值验证
上增有凸台结构，且密封齿交错排列，大大增加了流
为验证数值方法的计算精度与可靠性，基于Yuan
动阻力，不仅有利于旋涡耗散，也加强了壁面阻碍射
[13]
等 试验研究的具有两个密封齿SCO 迷宫密封模型
2
流效应，进而泄漏量降低.
为计算对象，给定进口压力10 MPa、温度45 ℃. 计算
表4给出了各计算工况下密封泄漏量对比，高低
了13种不同压比(0.3~0.9)下的密封泄漏量，并与模型
齿梳齿密封泄漏量较传统梳齿密封约降低了45.5%；
试验结果进行对比，如图6所示. 计算误差小于8%，本
凸台宽度5.13 mm、密封间隙0.4 mm时分别较原始模
文数值方法可较准确地预测SCO 迷宫密封流动特性.
2
型泄漏量降低约5%和19%. 高低齿梳齿密封泄漏量随
3 结果与分析 密封间隙的减小而降低.
3.1 密封泄漏特性分析 3.2 密封动力稳定性分析
动力特性系数是反映密封系统动力稳定性的重
为便于比较分析不同密封模型与计算工况下的
泄漏特性，定义相对泄漏率： 要指标，定义直接复合刚度系数H 、交叉复合刚度系
r
数h 、平均直接阻尼系数C 、有效阻尼系数C 公式
M i − M 0 r avg eff
r = ×100% (10) 分别如下 [22-23] ：
M 0
式中：r为相对泄漏率；M (i=1，2，3，4，5)为不同计算工  2 2
H r = [(K xx −Ω M xx )+(K yy −Ω M yy )]/2
i



 2
况下的泄漏量，M 为原始模型泄漏量. h r = K xy −Ω M xy (11)
0




图7给出了两种不同密封结构型式的速度场. 可 C avg = (C xx +C yy )/2

0.000 30.960 61.921 92.881 123.842 0.000 31.196 62.392 93.588 124.784

−1
−1
Velocity/(m·s ) Velocity/(m·s )
(a) Conventional labyrinth seal (b) Staggered labyrinth seal

Fig. 7 Velocity vector with different seal structures
图 7 不同密封速度场分布