Page 31 - 《真空与低温》2025年第4期

446 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

ing approach effectively mitigates internal heat accumulation during pump operation. This study proposes a novel low-pres-
sure piston configuration that integrates conventional low pressure piston components，low pressure inlet valves，and piston
labyrinth seals into a unified structure. Building upon this innovative design， we developed a transient leakage model for
labyrinth seals in the low-pressure section of liquid hydrogen booster pumps using dynamic mesh technology. Through theo-
retical analysis， we systematically investigated the effects of piston reciprocation， labyrinth seal length， and intermediate
pressure on leakage coefficients. The results demonstrate that: the coupling effect between near-wall shear flow and piston
squeezing action during reciprocation increases the overall leakage through labyrinth seals,while extending labyrinth seal
length reduces leakage，the optimization effect becomes limited beyond certain thresholds,higher intermediate pressure in two
stage liquid hydrogen booster pumps significantly exacerbates leakage through labyrinth seals.
Key words：liquid hydrogen booster pump；low-pressure side piston；labyrinth seal；transient leakage characteristics；dy-
namic mesh

0 引言 影响，并在压缩机平台上实验测试了仿真得到的最
佳几何结构。Asok 等 [8-9] 提出了一种利用虚拟空腔
氢是一种理想的能源载体，氢能具有可再生、
速度和涡黏损失系数的半经验模型来确定密封通
无污染、热值高等优点，在储能、发电、交通运输
和工业生产领域都有着广泛的应用。在交通运输 道的压降。此外，他们在传统矩形、三角形和弧形
领域，加氢站是上游制氢端到下游氢能应用终端之 迷宫空腔形状的基础上借助人工神经网络（ANN）
[1]
间的中间环节，起到了氢气存储加注的功能 。相 模拟来确定最优的空腔几何结构参数配置，设计出
较于高压气态储氢加氢站，液氢加氢站在安全性、 了一种融合了传统矩形和弧形空腔的混合形状空
氢气纯度、长距离运输的经济性、加氢站前期建设 腔。一部分研究将研究侧重点放在了迷宫密封
成本、兼容性以及能耗等方面均具有明显的优势 [2-3] 。 三维空间布置上，设计出了一些创新性的结构。
液氢增压泵是液氢加氢站中的核心部件，将液氢储 Zhou 等 [10] 提出了一种新型交错螺旋空腔（Tagge-
罐中 0.1~0.3 MPa 的低压液氢加压至 90 MPa 的高 red Helical Teeth，SHT）迷宫密封结构。通过数值模
压，之后低温超临界氢进入汽化器汽化成高压氢气， 拟计算，研究了密封间隙高度、压降、空腔数量和
储存在高压氢气罐中供用户使用。目前液氢增 偏心度等参数对密封效果的影响。Wasilczuk 等 [11-12]
压泵一般为两级压缩泵，其低压端压缩过程将 提出了一种先进气幕技术（Air Curtain Technology，
0.1~0.3 MPa 的液氢加压至 0.6 MPa 左右，以提高增 ACT）来改善迷宫密封结构，增强了密封通道内的
压前液氢过冷度，防止增压过程中发生汽化 。在 流动阻力。泄漏主流在迷宫密封齿间隙处受到气
[4]
液氢增压泵运行过程中存在来自环境的漏热和活 幕的影响，节流作用与局部阻力大幅增加，很好地
塞密封环摩擦生热。这些热量会使液氢发生相变 强化了迷宫的密封效果，相较于普通的直通式迷宫
转化为气氢，造成蒸发损失，使得泵的运行效率降 密封泄漏量减少高达 15%。
低。相比于活塞密封环，迷宫密封作为一种非接触 动态网格技术对于构建活塞迷宫密封瞬态泄
的密封形式，具有结构简单、低磨损和摩擦产热少 漏模型，能够更加真实、准确地体现出活塞往复运
等优点，可以有效降低泵运行过程中的内部生热。 动这个动态的过程。巴鹏等 [13] 采用动网格技术对
迷宫密封是一种利用齿间节流效应和空腔耗 4 种不同迷宫空腔结构进行数值模拟，研究了迷宫
散效应 [5-6] 来降低间隙泄漏量的非接触式密封。一 空腔形状对往复式压缩机直通型迷宫密封性能的
般通过在活塞和气缸壁面上加工出一道道环状的 影响。Wang 等 [14] 建立了一个基于多尺度动态网
迷宫凹槽来构建。对于迷宫密封，其密封结构特性 格的瞬态迷宫密封仿真模型，考虑了活塞往复运动
的研究至关重要，是降低泄漏提升性能的关键。对 的影响，研究了压缩机活塞迷宫密封内泄漏的特性。
于迷宫密封空腔形状的研究，一直是迷宫密封研究 他们还分析了工作介质对于泄漏的影响，对 5 种工
的重点。Schaller 等 设计了一种应用在无油往复 作介质的泄漏特性进行了分析，结果表明，相对泄
[7]
式压缩机活塞上的迷宫密封，利用 CFD 模拟仿真 漏量随相对分子质量的增加而减小。肖阳等 [15] 依
计算分析了不同形状迷宫空腔（矩形、三角形、弧 托动网格技术构建了分层采油泵活塞迷宫密封瞬
形）和不同迷宫空腔几何参数（空腔长度、空腔间 态泄漏模型，探究了压差流和剪切流对迷宫密封泄
隔、空腔深度）等几何结构因素对迷宫密封性能的 漏率的影响，结果表明，在瞬态仿真中由活塞往复