Page 36 - 《真空与低温》2025年第4期

任宏宇等：液氢增压泵低压端活塞迷宫密封瞬态泄漏数值研究 451

腔经密封向差动腔的泄漏。 的影响，迷宫密封段长度越长，迷宫凹槽加工的数
量也就越多，这会使迷宫密封内部通道流阻增加，
1.2
1.49 密封效果增强。这里对比迷宫密封段长度 L 为
1.0 40 mm、50 mm、60 mm 和 70 mm 四种情况。
瞬态

泄漏系数C D 1.48 稳态 0.8 活塞速度/ （m·s −1 ） 0 速度/（m·s ） 15 18
−1
0.6
3 6 9 12
1.47 0.4 稳态 射流收缩
0.2

1.46 0
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 瞬态
时间/s t=0.04 s 射流收缩
图 8 低压端排液行程泄漏系数 C D 与活塞速度
图 9 迷宫空腔稳态与瞬态速度流线分布云图
随时间变化关系
Fig. 9 Cloud diagram of steady and transient state velocity
Fig. 8 Low pressure side discharge stroke leakage leakage
distribution in labyrinth cavity
coefficient C D and piston speed

活塞往复运动对瞬态泄漏量的影响可以从两 图 10 为不同迷宫密封段长度 L 下低压端活塞
方面进行阐释。一方面活塞运动产生了一个与泄 排液行程泄漏系数 C D 。四种密封长度下排液行
漏方向相反的剪切流动，另一方面活塞也在向压缩 程中迷宫密封泄漏量随时间变化规律比较接近，
腔内部不断地挤压形成挤压作用，这两者对于密封 都呈现出先增加后减少的趋势。整体上看，迷宫
泄漏起着截然相反的影响。近壁面剪切流会削弱 密封泄漏量随着密封长度的增加而减小，泄漏量下
密封的泄漏，而活塞向压缩腔内部的挤压则会使泄 降的幅度随着密封段长度的增加逐渐降低。在
漏增强，二者的影响都随着活塞的速度增大而增强。 这四种密封长度下，效果最好的密封段长度 L =
从计算结果来看，活塞挤压效应的影响要强于近壁 70 mm 的排液行程泄漏系数依然大于 1，并不满足
面剪切流，随着排液行程的进行活塞速度先升高后 应用需求，想要获得更低的泄漏量只能继续增加密
降低，二者耦合作用先增强后降低，密封泄漏量也 封长度，不过更长的活塞意味着更高的质量与更大
随之先增加后减少。不过二者耦合作用影响与速 的腔体，运行与制造成本都有所增加，增加密封长
度并不完全同步，泄漏量的峰值相较于活塞速度峰 度的方式性价比较低，可以考虑从几何结构参数上
值发生在更早的时刻。 优化。
图 9 为迷宫空腔稳态与瞬态速度流线分布云
图，二者都截取了迷宫密封倒数第二级空腔，其中 1.5
瞬态速度与流线云图采用的是 t = 0.04 s 时刻。结 1.4
合速度云图与流线分布，可以看出，稳态时空腔涡 1.3
流对泄漏主流动量传递效应的消减作用要小于瞬 1.2
态时，而空腔内部泄漏主流末端速度也要大于瞬态 泄漏系数C D 1.1
1.0
时。与此同时，由于反向切向流的作用，瞬态时在 C D =1
0.9 L=40 mm
空腔间隔处的泄漏主流射流收缩效应更强汇聚作 L=50 mm
0.8 L=60 mm
用更明显，这使得泄漏主流在空腔间隔处的局部
0.7 L=70 mm
阻力更大。虽然瞬态时迷宫空腔整体流阻要大于 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
稳态时，不过活塞挤压效应的影响在排液行程的 时间/s
大部分时间占主导，使得瞬态时泄漏量大于稳态 图 10 不同迷宫密封段长度 L 下低压端活塞排液
泄漏量。 行程泄漏系数 C D

2.2 迷宫密封长度对活塞迷宫密封泄漏系数的影响 Fig. 10 Discharge stroke leakage coefficients C D of low-
迷宫密封段长度对于迷宫密封效果有着一定 pressure side under different L