Page 152 - 《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 741

表 3 计算工况与边界条件 Q 为混合型密封泄漏量.
H
Table 3 Calculation parameters and boundary conditions 图4给出了不同流动状态及偏心率下迷宫-蜂窝混

Parameters Specification
合型密封与传统迷宫密封泄漏量/泄漏量变化率趋势，
Fluid Air (ideal gas)
可以看出：1) 当密封系统状态转变时(由同心到偏心)，
Turbulence model k-ε
Wall properties Adiabatic, smooth surface 传统迷宫密封泄漏量有明显增长趋势，而混合型密封
Temperature, T/K 298
状态转变时泄漏量增长较为缓慢；2) 两种不同结构密
0.2 (Unchoked flow condition)
Supply pressure, P in /MPa
0.8 (Choked flow condition) 封泄漏量均随偏心率增大而增加，且在高偏心下泄漏
Discharge pressure, P out /MPa 0.1
量增加程度更大；3) 相同流动状态下，混合型密封泄
Eccentric ratios, ε/% 10, 30, 50, 70, 90
漏量低于传统迷宫密封泄漏量.
Rotational speed, ω/(r/min) 5 000
图4(c)为不同流动状态下，流体泄漏量变化率随
封泄漏量降低值与传统迷宫密封泄漏量的比值为泄 偏心率增加的变化趋势. 可以看出，当转子系统由同
漏量变化率α： 心向偏心状态转变时，迷宫-蜂窝混合型密封泄漏量
对密封泄漏有较好的改善；在非阻塞工况下，迷宫-蜂
Q L − Q H
α = ×100% (4)
窝混合型密封抑制泄漏效果随偏心率的增大而增强；
Q L
式中：α为泄漏量变化率；Q 为传统迷宫密封泄漏量； 在阻塞条件下则相反.
L

8.2 37 5.7
Labyrinth seal Labyrinth seal
8.0 36 5.4
Hybrid seal 35 Hybrid seal 5.1
7.8
Leakage/(g/s) 7.6 Leakage/(g/s) 34 Leakage reduction percentage/% 4.8 Unchoked flow condition
4.5
7.4
Choked flow condition
33
7.2
32 4.2
7.0 3.9
6.8 31 3.6
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Eccentric ratio/% Eccentric ratio/% Eccentric ratio/%
(a) Unchoked flow condition (b) Choked flow condition (c) Leakage reduction percentage
Fig. 4 Influence of eccentric distance of two kinds of seals on the fluid leakage and leakage rate
图 4 两种密封泄漏量及泄漏量变化率随偏心率的变化趋势

图5给出了P =0.2 MPa时两种密封结构速度场 混合型密封差距越来越大；4) 在任意偏心率下，相较
in
[由迷宫-蜂窝混合型密封蜂窝排列不同，沿图2(a)中 于传统迷宫密封，混合型密封气流力均降低80%以上.
A、B线位置分别取其截面图]，可以看出：流体在传统 非阻塞工况下，混合型密封与传统迷宫密封静态
迷宫密封腔室内形成了1个较大的漩涡，而迷宫-蜂窝 直接刚度系数随偏心率变化关系如图7所示，传统迷
混合型密封腔室内和蜂窝芯格中形成了2个旋流方向 宫密封静态刚度系数为负值，且随偏心率增大呈下降
相反的漩涡，相邻蜂窝则生成4个大小不一的漩涡，强 趋势；而迷宫-蜂窝混合型密封静态直接刚度系数高于
化湍流耗散，降低泄漏量. 传统迷宫密封，且随着偏心率的增加，混合型密封直

2.2 非阻塞状态密封流动特性 接刚度系数下降率较迷宫密封更为平缓，两种不同结
图6为非阻塞流动下迷宫-蜂窝混合型密封与传统 构密封静态刚度系数差距逐渐增大.
迷宫密封气流力随偏心率变化趋势. 结果表明：1) 在 静态交叉刚度系数反映了转子受切向气流力的
传统迷宫密封内会产生使转子偏心增加的负气流力； 影响，其值越小越有利于转子的稳定. 密封静态交叉

2) 混合型密封气流力为负值，其绝对值小于传统迷宫 刚度系数在非阻塞工况下随偏心率变化情况如图8所
密封；3) 随偏心率增加，两种不同结构型式的密封气 示，传统迷宫密封静态交叉刚度系数随偏心率增大先
流力绝对值均不断增大，但混合型密封气流力相对于 降低后升高. 在偏心率为50%时，迷宫密封静态交叉
传统迷宫密封增长缓慢，迷宫密封所受密封气流力与 刚度系数由负变正，因此，高偏心状态下系统更易失