Page 150 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 杨兴辰, 等: 迷宫-蜂窝混合型密封静态稳定性与泄漏特性研究 739

非接触环形密封是提升透平机械工作效率、降低 Y负方向偏心，偏心距为e，O 为转子中心. 其中，h max 、
1
流体泄漏的关键部件，然而，密封在降低泄漏的同时， h min 分别为偏心后密封静子与转子之间的最大、最小
易产生影响系统稳定性的气流力，导致系统失稳 [1-3] . 为 间隙.
改善密封动静性能，在传统迷宫密封基础上，国内外学
[5]
[4]
者相继提出螺旋槽型 、袋型 、刷式 [6-7] 、蜂窝 [8-10] 、迷 Rotor Y
宫-蜂窝混合型等新型密封结构. 如何降低泄漏特性并提
F h max
高系统稳定性是非接触环形密封当前研究的重点之一 [11-12] .
迷宫-蜂窝混合型密封是目前机组改造中常见型
e O X
式，主要包括两类：① 静子内表面蜂窝+转子表面梳
O 1
[13]
齿；② 静子内表面为梳齿+蜂窝. 岳国强等 通过对转
子表面为迷宫密封齿、静子内表面为蜂窝孔的混合型
h min
密封结构进行研究，发现其具有更好的封严性能，且 Cylinder
可以提高系统阻尼，有效抑制气流激振. 何立东等 [14]
研究表明，带齿的转子易对蜂窝静子造成损坏，且相 Fig. 1 Schematic diagram of the eccentric rotor-seal system
较于光滑转子造价昂贵，带齿转子也较难调整其平衡 图 1 转子-密封系统偏心模型示意图

状态. 第二类在传统迷宫密封腔室内安装蜂窝结构的
转子偏心率ε为
混合型密封，对转子没有特殊要求，有利于调节转子
e
平衡，且蜂窝结构位于迷宫腔内，可有效降低密封-转 ε = (1)
C r
子系统磨损.
式中：e、C 分别为静态偏心距与半径间隙.
r
密封静态气流力及直接刚度系数的大小对系统
转子在静态偏心时的密封气流力和位移方程可
[15]
稳定性有重要影响. 1958年，Lomakin 对密封沿轴向
简化为
的压力分布进行分析，发现大、小间隙处轴向压差产
[ ][ ]
[ ]
[16]
生正静态刚度系数. Alexander等 通过试验研究发现 F x K xx K xy X
− = (2)
F y K yx K yy Y
光滑环形密封会产生使转子偏离中心的气流力，进而
指出负静态刚度系数会造成密封系统静态失稳. Fleming [17] 式中：F 、F 分别代表转子所受X方向、Y方向的密封气
y
x
最先对光滑环形密封径向刚度进行计算，指出该密封 流力.
会出现负刚度. Arghir与Childs等 [18-20] 针对密封产生负 通过对不同偏心工况下X、Y方向转子所受密封气
静态刚度系数的原因展开研究，Arghir指出负静态刚 流力进行拟合，得到较为光滑的密封受力曲线，并对
度的产生是由阻塞流动状态导致，而Childs试验研究 此其进行微分，可得到X、Y方向转子受力曲线斜率变
表明：即使在非阻塞流动状态下依旧会产生负静态刚 化及刚度系数.
[21]
度系数. Arghir等 研究了转子转速对静态刚度系数 当转子沿Y负方向偏心时：
的影响，发现光滑环形密封在低转速工况下会产生负 
 ∂F y
 δ y = e
 K = K yy = −
的静态刚度系数，而在高转速的情况下静态刚度系数  ∂δ y



(3)


则先降低后升高.  ∂F x

k = K yx = −
 δ y = e

目前，国内外针对第二类迷宫-蜂窝混合型密封 ∂δ y
(静子内表面为梳齿+蜂窝)动静特性鲜有研究，且其泄 式中：K、k分别为密封的静态直接刚度系数及静态交
漏特性与静态稳定性形成机理尚不明确. 采用计算流 叉刚度系数.

体力学方法建立该混合型密封三维数值分析模型，研 1.2 计算模型
究阻塞/非阻塞、不同偏心率对其静态稳定性及泄漏特 本文作者基于文献[12]流体激振试验台尺寸设计
性的影响，并与传统迷宫密封进行对比. 迷宫-蜂窝混合型密封模型，在传统迷宫密封腔内增

设蜂窝孔结构. 图2分别给出了混合型密封、迷宫密封
1 计算模型和数值方法
的三维模型及局部示意图，表1所列为密封几何尺寸.

1.1 静态刚度系数求解方法 1.3 数值方法
图1为转子-密封系统模型，O为静子中心，转子沿 本文作者研究了迷宫-蜂窝混合型密封及传统迷