Page 37 - 《真空与低温》2025年第4期

452 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

为了使迷宫密封满足设计需求，对液氢增压泵 1.1
低 压 端 活 塞 迷 宫 密 封 参 数 调 整： 间 隙 高 度 H 由 1.0
C D =1
50 μm 减少为 40 μm；将空腔长度 L s 由 1 mm 减少 0.9
为 0.7 mm，此时空腔深度 H s 为 0.14 mm；保持空腔 泄漏系数C D 0.8
间隔 L j 为 0.3 mm 不变；迷宫密封段长度 L 设置为 0.7 p=0.60 MPa
50 mm。图 11 为迷宫密封结构优化前后排液行程 0.6 p=0.65 MPa
p=0.70 MPa
泄漏系数对比图。相较于优化之前的相同密封段 0.5 p=0.75 MPa
p=0.80 MPa
长度迷宫密封，优化后的结构其泄漏系数得到了有 0.4
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
效的控制，在整个排液行程下泄漏系数都低于 1， 时间/s
此时活塞处内泄漏造成的容积效率损失达到了可
图 12 不同中间压力下迷宫密封排液行程泄漏系数 C D
接受的程度。
Fig. 12 Leakage coefficients for labyrinth seal discharge stroke

1.4 at different intermediate pressures C D
3 结论
1.2
本文采用了一种新型液氢增压泵低压端活塞
泄漏系数C D 1.0 C D =1 结构，结合动态网格技术建立了液氢增压泵低压端

活塞迷宫密封瞬态泄漏模型，并进行相关仿真计算，
得出了如下结论：
0.8 原结构 （1）迷宫密封排液行程瞬态泄漏量在一定范围
优化结构
内高于稳态泄漏量，这是由于近壁面反向剪切流动
0.6
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 以及活塞向压缩腔内的挤压效应形成的耦合作用
时间/s 使得瞬态泄漏量增加。二者耦合作用影响与活塞

图 11 迷宫密封优化前后排液行程泄漏系数 C D 对比图 速度并不完全同步，泄漏量的峰值相较于活塞速度
Fig. 11 Labyrinth seal optimised structure discharge stroke 峰值发生在更早的时刻。
（2）迷宫密封效果随着迷宫密封段长度 L 的增
leakage coefficient C D

加而增强，但采用这种方法强化密封效果性价比较

2.3 中间压力对活塞迷宫密封泄漏系数的影响
低，且会增加运行与制造成本。通过优化迷宫密封
中间压力是两级液氢增压泵的另一个重要
空腔结构可有效降低泄漏量，使密封泄漏所造成的
参数，其在数值上与柱塞流道出口阀门设定的开启
容积损失不超过 5%。
压力近似，中间压力的设定与高压端液氢压缩效
（3）在优化的迷宫密封结构下，迷宫密封排液
率密切相关，同时也影响着其上游低压端迷宫
行程泄漏系数 C D 整体上随着中间压力升高而增大。
密封入口处的压力。由图 11 优化后的迷宫结构
本研究得到的优化结构密封可以承受的中间压力
中，分析了中间压力对活塞迷宫密封泄漏系数的 上限为 0.75 MPa。
影响。
图 12 为不同中间压力下迷宫密封排液行程泄 参考文献：
漏系数 C D 随时间的变化关系。由图 12 可知，C D [1] 董林鑫. 基于不同增压方式的液氢加氢站加氢流程研究
整体上随着中间压力升高而增大。该优化密封结 [D]. 杭州：浙江大学，2023.
构下，可以承受的中间压力上限为 0.75 MPa，柱塞 [2] BARTHELEMY H， WEBER M， BARBIER F. Hydrogen
出口处阀门开启压力小于 0.75 MPa 时，可以满足 storage：Recent improvements and industrial perspectives[J].
全程泄漏系数小于 1。由于入口阀与出口阀开闭 International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（11）：
特性导致的压缩腔内部压力波动，其时间在整个排 7254−7262.
液行程中的占比太小，所以对于整个排液行程的泄 [3] MAYER T，SEMMEL M，GUERRERO MORALES M A，et al.
漏量影响并不大。 Techno-economic evaluation of hydrogen refueling stations