Page 107 - 《摩擦学学报》2021年第4期

550 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

贝阻尼密封直接刚度均增大. 交叉刚度均为正值，且 稳定性得到有效改善. 错开角度为33.75°时的有效阻
频率依赖性较低. 错开角度为33.75°时，其密封交叉刚 尼约为0°时的111%~121%.

度相对较低. 2.4 密封腔深度对动力特性影响
图15为不同错开角度下直接阻尼随涡动频率的 由上节可知，密封腔错开角度α=33.75°时，有效阻
变化情况. 直接阻尼表征系统的阻尼大小，错开角度 尼最大，稳定性最优. 因此为研究密封腔深度对扇贝
α=11.25°时的直接阻尼较高；所有相邻密封腔室并列 阻尼密封动力特性的影响，设计计算模型密封腔错开

时的直接阻尼则相对较低. 错开角度α=11.25°、22.5° 角度α=33.75°时，计算不同密封腔深度(h=2.8、3.3、
时，随着涡动频率的递增，直接阻尼先增加后降低；错 3.8和4.3 mm)下密封动力特性随涡动频率变化情况.
开角度α=0°、33.75°时，随着涡动频率的递增，直接阻 图17为不同密封腔深度下直接刚度随涡动频率

尼则逐渐降低. 变化. 扇贝阻尼密封的直接刚度均表现为正值，频率
图16为不同错开角度下有效阻尼随涡动频率的 依赖性较大. 直接刚度随涡动频率的递增、密封腔深
变化曲线. 有效阻尼均随涡动频率的递增而增大，且 度的增大而增加，密封系统静态稳定性越佳.
有效阻尼在错开角度α=33.75°时相对较大，密封系统 图18为不同密封腔深度下交叉刚度随涡动频率
相对更稳定. 涡动频率高于40 Hz时，有效阻尼在密封 变化. 扇贝阻尼密封的交叉刚度均表现为正值，易促
腔室并列时明显较小，且存在1个最佳错开角度使系 进转子涡动，不利于系统稳定. 交叉刚度整体趋势上

统稳定性最好(文中计算的最佳错开角度为α=33.75°). 随密封腔深度的加深而增大. 密封腔深度h=2.8、3.3 mm
交错式扇贝阻尼密封相对并列式结构提升了流道的 时，交叉刚度随涡动频率变化不大；密封腔深度h=3.8 mm、
复杂性，使得流体周向速度减小、湍流耗散增加，系统 涡动频率低于160 Hz时，涡动频率递增，交叉刚度减

200 50
α=0°
α=11.25° 40
α=22.5°
Direct damping/(N·s/m) 184 Direct stiffness/(10 3 N/m) 30 h=2.8 mm
192
α=33.75°
20
176
h=3.3 mm
10
168
h=3.8 mm
h=4.3 mm
160 0
0 40 80 120 160 200 240 280 0 40 80 120 160 200 240 280
Whirling frequency/Hz Whirling frequency/Hz

Fig. 15 Direct damping vs whirling frequency at different Fig. 17 Direct stiffness vs whirling frequency at different seal
interlaced angles cavity depths
图 15 不同错开角度下直接阻尼随涡动频率变化 图 17 不同密封腔深度下直接刚度随涡动频率变化

195 10 8

Effective damping/(N·s/m) 165 α=0° Cross-coupled stiffness/(N/m) 6 4 h=2.8 mm
180

150
135
α=11.25°
α=22.5°
h=3.8 mm
120
α=33.75° 2 h=3.3 mm
h=4.3 mm
105 0
0 40 80 120 160 200 240 280 0 40 80 120 160 200 240 280
Whirling frequency/Hz Whirling frequency/Hz

Fig. 16 Effective damping vs whirling frequency at different Fig. 18 Cross-coupled stiffness vs whirling frequency at
interlaced angles different seal cavity depths
图 16 不同错开角度下有效阻尼随涡动频率变化 图 18 不同密封腔深度下交叉刚度随涡动频率变化