Page 108 - 《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 551

小；密封腔深度h=4.3 mm时，交叉刚度随涡动频率的 表 4 密封泄漏量对比
递增呈正弦曲线变化. Table 4 Comparisons of the leakage flow rate

图19和图20分别为不同密封腔深度下直接、有效 Working condition Leakage flowrate/(kg/s) Relative percentage/%
α=0° (reference) 0.022 578 -
阻尼随涡动频率变化. 扇贝阻尼密封的直接阻尼随密
α=11.25° 0.022 122 2.02(↓)
封腔深度的加深而降低，流体在封闭的扇贝型小腔室 α=22.50° 0.022 101 2.11(↓)
中受到压缩或膨胀，会产生较强的动态压力，腔室深 α=33.75° 0.022 122 2.02(↓)
h=2.8 mm (reference) 0.022 406 -
度较低时流体被压缩或膨胀的程度更加剧烈，产生更
h=3.3 mm 0.022 122 1.27(↓)
大的动态压力及更高的阻尼. 低深度的扇贝型腔室有 h=3.8 mm 0.021 837 2.54(↓)
利于提升系统的阻尼. 扇贝阻尼密封的有效阻尼随密 h=4.3 mm 0.021 570 3.73(↓)
封腔深度的减小、涡动频率的递增而增大. 密封腔深
漏量随密封腔深度的增大而降低，密封腔深度h=4.3 mm
度为2.8 mm时的有效阻尼约为4.3 mm时的146%~
时的泄漏量相较于h=2.8 mm约减少了3.73%.
211%.

2.5 泄漏特性分析 3 结论
表4为扇贝阻尼密封泄漏量对比情况. 使相邻密
a. 扇贝阻尼密封的周向挡板可抑制流体周向流
封腔室错开一定角度后，扇贝阻尼密封泄漏量较并列
动，且流体在独立扇贝型腔内会产生低速区. 上游腔
时降低. 存在1个最佳的错开角度使密封泄漏量最低
室(C1~C4)具有较大的正直接刚度和有效阻尼，对抑
(文中最佳错开角度是α=22.5°)，错开角度α=22.5°时的
泄漏量相较于α=0°约减少了2.11%. 扇贝阻尼密封泄 制转子涡动、提升系统稳定性的贡献相对较大.
b. 交错式扇贝阻尼密封相对并列式(α=0°)结构，
220 其流体周向速度减小、湍流耗散增加，系统稳定性得
200 到有效改善. 存在1个最佳错开角度使交错式扇贝阻
Direct damping/(N·s/m) 160 的最佳错开角度为α=33.75°)，错开角度为33.75°时的
尼密封的有效阻尼最大、系统稳定性最好(文中计算
180

有效阻尼约为0°时的111%~121%. 扇贝阻尼密封的有
140
2.8 mm时的有效阻尼约为4.3 mm时的146%~211%.
120 h=2.8 mm h=3.8 mm 效阻尼随密封腔深度的减小而增大. 密封腔深度为
h=3.3 mm h=4.3 mm
c. 使密封腔错开角度后的扇贝阻尼密封泄漏量
100
0 40 80 120 160 200 240 280
Whirling frequency/Hz 有所降低，错开角度为22.5°时的泄漏量相较于0°时约
降低了2.11%. 交错式扇贝阻尼密封泄漏量随密封腔

Fig. 19 Direct damping vs whirling frequency at different
seal cavity depths 深度的增大而降低，密封腔深度为4.3 mm时的泄漏量
图 19 不同密封腔深度下直接阻尼随涡动频率变化 相较于2.8 mm时降低了约3.73%.
参 考 文 献
210
[ 1 ] Denton J D. The 1993 IGTI scholar lecture: loss mechanisms in
Effective damping/(N·s/m) 150 h=2.8 mm [ 2 ] 621–656. doi: 10.1115/1.2929299.
180
turbomachines[J]. Journal of Turbomachinery, 1993, 115(4):
Shen Wei, Peng Xudong, Jiang Jinbo, et al. The influence of inertia
effect on steady performance and dynamic characteristic of super
120
h=3.3 mm
90
(in Chinese) [沈伟, 彭旭东, 江锦波, 等. 惯性效应对超高速倾斜端
h=3.8 mm
h=4.3 mm high-speed tilted gas face seal[J]. Tribology, 2019, 39(4): 452–462
面 气 膜 密 封 稳 动 态 特 性 影 响 [J]. 摩 擦 学 学 报 , 2019, 39(4):
60
0 40 80 120 160 200 240 280 452–462]. doi: 10.16078/j.tribology.2018165.
Whirling frequency/Hz
[ 3 ] Zhang Xuan, Peng Xudong, Jiang Jinbo, et al. The influence of

Fig. 20 Effective damping vs whirling frequency at different shape and directionality of hole on leakage characteristics of hole-
seal cavity depths pattern damping seals[J]. Tribology, 2020, 40(1): 117–127
图 20 不同密封腔深度下有效阻尼随涡动频率变化 (in Chinese) [张璇, 彭旭东, 江锦波, 等. 型孔形状和方向对孔型阻