Page 124 - 《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 121

由图8(c~d)可以看出：两种不同结构型式的密封 通梳齿密封在低频区具有更优的动力稳定性.
平均直接阻尼及有效阻尼系数均为正值，对转子的涡 由图9(c~d)可以看出：与涡动频率100 Hz相比，
动起抑制作用，利于系统稳定性的提高. 涡动频率低 220 Hz时普通梳齿密封的交叉复合刚度系数绝对值
于160 Hz时，传统梳齿密封的有效阻尼系数约为高低 大幅度降低，促进系统稳定的作用程度随之减小. 密
齿梳齿密封的107%~649%，其系统稳定性较好；而涡 封腔室位置的改变对两种密封的交叉复合刚度系数
动频率高于160 Hz时，高低齿梳齿密封的有效阻尼系 影响较低，且此时高低齿梳齿密封C3~C8腔室的平均

数高于传统梳齿密封，约为传统梳齿密封的105%~ 直接阻尼系数均高于普通梳齿密封，其所占整体腔室
113%，此时高低齿梳齿密封更有利于系统稳定. 比例较多，对转子涡动提供更强的抑制作用. 因此，高
为便于深入分析不同结构型式的密封动力稳定 低齿梳齿密封在高频区的动力稳定性更佳.
性，下文以单个密封腔室为单位对密封动力特性进行 3.2.2 凸台宽度对动力稳定性影响
分解，给出交叉复合刚度系数、平均直接阻尼系数与 在原始模型凸台宽度基础上分别将其向左右两
密封腔室的变化关系如图9所示. 由图9(a~b)可以看 端同时拓宽相同尺寸的长度，图10给出了c =0.5 mm
2
出：涡动频率100 Hz时，一方面密封腔室位置对高低 时，不同凸台宽度(b=4、5.13和6.13 mm)密封动力特性
齿梳齿密封的交叉复合刚度系数影响较低，其值稳定 系数随涡动频率的变化情况.
在零附近，而普通梳齿密封由于密封腔室位置的改变 由图10可以看出：随凸台宽度的增加，直接复合
其交叉复合刚度系数也随之出现较大程度的波动，且 刚度系数增加，密封系统静态稳定性越好，而对交叉
均为负值，有利于促进系统稳定；另一方面普通梳齿 复合刚度系数影响较小. 平均直接阻尼系数对有效阻
密封C1~C5腔室的平均直接阻尼系数均高于高低齿 尼系数起主导作用. 凸台宽度为5.13 mm时的有效阻
梳齿密封，占整体腔室(C1~C8)的比例较大. 综合考量 尼系数相对较高，密封系统稳定较好，表征对于凸台
两种动力特性系数影响，普通梳齿密封的有效阻尼系 宽度则会存在1个利于系统动力稳定的最佳值. 凸台
数高于高低齿梳齿密封，与图8(d)结果一致. 因此，普 宽度为4和6.13 mm时，阻尼系数均随涡动频率增加而

30 0 1 800
Cross-coupled complex dynamic stiffiness, h r /(kN/m) −30 Average direct damping, C avg /(N·s/m) 1 200
1 600
1 400

1 000
−60
800
−90
600
−120
200
Conventional labyrinth seal
Conventional labyrinth seal
−150 Staggered labyrinth seal 400 0 Staggered labyrinth seal
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
Seal cavity number Seal cavity number
(a) Cross-coupled complex dynamic stiffness (100 Hz) (b) Average direct damping(100 Hz)
1 800
Cross-coupled complex dynamic stiffiness, h r /(kN/m) −10 1 Average direct damping, C avg /(N·s/m) 1 200
4
1 600
2
1 400
−2
−4
1 000
−6
800
−8
600
400
−12
Staggered labyrinth seal
Conventional labyrinth seal
200
−14
Conventional labyrinth seal
0 Staggered labyrinth seal
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
Seal cavity number Seal cavity number
(c) Cross-coupled complex dynamic stiffness(220 Hz) (d) Average direct damping(220 Hz)

Fig. 9 Dynamic characteristics coefficients vs seal cavity for different seal structures
图 9 不同密封结构型式动力特性与密封腔室变化关系