Page 104 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 尹露, 等: 交错式扇贝阻尼密封动力特性研究 547

椭圆涡动轨迹，时间步长为0.000 1 s. 壁面属性为绝 表 3 计算工况参数
热、光滑，进口给定总压P =0.505 MPa、总温T=298 K， Table 3 Calculation parameters
in

转 子 转 速 ω=5 000 r/min， 出 口 给 定 平 均 静 压 P = Parameters Specifications
out
Working fluid air(ideal gas)
0.101 MPa. 表3列出了具体边界条件.
Turbulence model k-ε

1.4 数值方法验证 Wall properties adiabatic smooth wall
基于文献[25]试验迷宫密封及袋型阻尼密封模 Inlet temperature，T/K 298
Time step，t/s 0.000 1
型，应用上述数值方法对其动力特性系数开展计算分
Whirling frequency，f/Hz 20, 40, …, 240, 260
析. 图5给出了数值计算结果与试验对比情况，可见， Inlet pressure，P in /MPa 0.505
本文数值方法对迷宫密封与袋型阻尼密封的刚度、阻 Outlet pressure，P out /MPa 0.101
Rotational speed，ω/(r/min) 5 000
尼及有效阻尼均具有良好预测效果，数值计算结果与
Whirling orbit elliptical orbit
试验值在趋势与绝对数值上均表现出较高的吻合度. Major half axis of the whirling orbit，a/mm 0.012
因此，验证了本文数值计算方法对于密封动力特性识 Minor half axis of the whirling orbit，b/mm 0.006
别的可靠性与准确性.

了密封腔流体的周向流动. 每个独立的扇贝型小腔室
2 结果与分析
中均产生了较复杂的漩涡流动，密封腔室中的流体黏

2.1 密封流场特性分析 性耗散作用较强，且在偏离Y轴分别约–3°、+2°、±6°左
图6和图7分别为扇贝阻尼密封沿X方向激励、 右处(其中，正号表示沿Y轴右侧偏移，负号表示沿Y轴
t=0.1 s时第一个密封腔X-Y截面速度及压力分布. 扇贝 左侧偏移)出现了速度较低区域(即局部放大的扇贝型
阻尼密封沿周向被均匀分割成8个独立扇贝型小腔 小腔室中蓝色区域)，有效降低流体流速. 密封的静子
室，位于两个独立扇贝型小腔室之间的挡板结构阻碍 面沿周向由于挡板及扇贝型结构抑制了流体周向流

3 21
Labyrinth seal, CFD
Labyrinth seal, EXP 14
Direct shiffness/(10 6 N/m) 1 0 Cross-coupled shiffness/(10 5 N/m) 7 0
Pocket damper seal, CFD
2
Pocket damper seal, EXP

Labyrinth seal, EXP
Pocket damper seal, CFD
−1 −7 Labyrinth seal, CFD
Pocket damper seal, EXP
−14
0 40 80 120 160 200 240 280 0 40 80 120 160 200 240 280
Whirling frequency/Hz Whirling frequency/Hz
(a) Direct stiffness (b) Cross-coupled stiffness
75 4
Labyrinth seal, CFD
Labyrinth seal, EXP 2
Direct damping/(10 2 N·s/m) 45 Effective damping/(10 3 N·s/m) −2 0 Labyrinth seal, CFD
60
Pocket damper seal, CFD
Pocket damper seal, EXP
30

15
Labyrinth seal, EXP
Pocket damper seal, EXP
−15 0 −4 Pocket damper seal, CFD
0 40 80 120 160 200 240 280 0 40 80 120 160 200 240 280
Whirling frequency/Hz Whirling frequency/Hz
(c) Direct damping (d) Effective damping

Fig. 5 Comparison on experiments and current CFD results
图 5 本文数值计算结果与试验对比