迷宫密封特性研究

迷宫密封特性研究1摘要迷宫密封常用于防止透平机械的泄漏，它的研究重点是减少泄漏，提高运行稳定性和延长使用寿命。然而，如何对其泄漏量进行计算，进而对其结构进行合理设计，至今仍是人们关注的问题。影响迷宫密封性能的因素有许多，如总体的结构型式、空腔形状及尺寸、节流间隙宽度、节流齿厚度及数量、齿形状、介质特性、压力温度条件、转轴旋转速度等。介质在迷宫密封内的流动情况十分复杂，影响因素较多且相互关联，这增加了研究的难度，同时使研究结果相互间差异很大。本文主要从泄漏量和密封影响因素以及迷宫密封内部流场机理等方面简要的介绍对迷宫密封特性的影响，最后简要地探讨了迷宫密封特性研究的发展方向。关键词：迷宫密封，密封机理，发展趋势迷宫密封特性研究2AbstractAlabyrinthsealisacomponentusedinaturbomachinetopreventtheleakageoftheworkingfluid.theemphasisofitsresearchistoreduceleakage,improvestabilityandprolongworkinglife.Nowadayspeoplecareforthewayhowtocomputetheleakagerateandhowtooptimizethedesignofstructure.ThereareManyfactorsthatinfluencetheperformanceofaLabyrinthseal,suchasstructures,shapeandsizeofcavities,clearancearea,thicknessandnumberofteeth,shapeofteeth,propertyofsealgas,pressureandtemperature,Shaftrotationspeedandsoon.ThesituationofflowfieldInflowinLabyrinthsealcavity,manyfactorsarerelated,sotheresearchwillbemoredifficultandtheconsequencewillbedifferent.Thisarticlemainlyfromtheleakageandthefactorsaffectingsealandlabyrinthsealmechanismoftheinternalflowfieldintermsofcharacteristicsoflabyrinthseal,andfinallybrieflydiscussesthecharacteristicsoflabyrinthsealdevelopment.Keywords:LabyrinthSealSealingmechanismTrends迷宫密封特性研究3迷宫密封特性研究1迷宫密封特性研究的背景和意义迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程（压力能转化为动能）和密封空腔中的动能耗散过程（动能转化为热能）实现密封。迷宫密封已被广泛用于航空发动机、压缩机、透平膨胀机、汽轮机、水轮机、离心式低温泵等机械中，迷宫密封是透平机械中常用的密封元件。迷宫密封的研究重点是减少泄漏，提高运行稳定性和延长使用寿命。然而，如何对其泄漏量进行计算，进而对其结构进行合理设计，至今仍是人们关注的问题。影响迷宫密封性能的因素有许多，如总体的结构型式、涡流空腔形状及尺寸、节流间隙宽度、节流齿厚度及数量、齿顶形状、齿倾角、介质特性、压力温度条件、转轴旋转速度和介质流向等。介质在迷宫密封内的流动情况十分复杂，影响因素较多且相互关联，这增加了研究的难度，同时使研究结果相互间差异很大。实际上，迷宫密封的宏观密封性能，只是其内部流动和换热本质的具体表现而已，因此，求解迷宫密封内部的流动过程，是研究迷宫密封的根本出发点，同时，掌握不同结构下的迷宫密封内部的流动特点，也可以理解密封产生故障甚至密封失效的原因，这样对应对迷宫密封的全面了解有着重要的意义。2迷宫密封的简介2.1迷宫密封的机理迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的[1]。流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。对液体，有流体力学效应，其中包括水力磨阻效应、流束收缩效应；对气体，还有热力学效应，即气体在迷宫中因压缩或者膨胀而产生的热转换；此外，还有“透气效应”等，而迷宫效应则是这些效应的综合反应。图1为迷宫密封结构示意图。迷宫密封特性研究4图1迷宫密封结构示意图迷宫密封具有在高速条件下有良好的密封性能，不需润滑，无摩擦，维修简单，使用寿命长，不需要采用其他密封材料的优点，主要用于密封气体。现已被广泛用于航空发动机、压缩机、透平膨胀机、汽轮机、水轮机、离心式低温泵等机械中，对一般密封所不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位特别有效。迷宫密封是流体机械中应用非常广泛的一类非接触式密封。迷宫密封被做成各种形状的曲折通道，通过增加流体流动的局部动能损失来减少流体的泄漏量。气体从高压侧以极高的流速流经节流窄缝，再进入迷宫腔膨胀，以消耗气体流经窄缝形成的动能，如此经过多次节流和膨胀产生阻力，阻止气体向外泄漏，借以达到密封的目的。但是迷宫密封的加工精度高，难于装配，并且迷宫密封不受旋转速度和温度的限制，摩擦功耗极小，增加密封齿数目可密封较高压力的气体。迷宫密封泄漏量和迷宫密封的结构形式以及各种运行参数有较大的关系，因此对于迷宫密封的试验测量存在较大的困难和测量误差[2]。3迷宫密封在国内外的研究现状近一个世纪以来，各国学者对迷宫密封做了广泛而深入的研究，取得了大量有意义的成果。但其工作主要集中在迷宫密封泄漏量的计算及密封性能影响因素的分析上。所用的方法主要有热力学分析的方法、计算流体力学数值分析方法以及泄漏量测量和流动显示等实验研究方法。3.1迷宫密封内部流场研究迷宫密封特性研究5在探索迷宫密封的机理上，各国的学者不遗余力，或采用数值研究，或运用流动显示试验。D.L.Rhode等人在发表的大部分文章中数值计算了迷宫流场中各种物理量的分布情况，详细阐明了流动过程中的湍流流动机理。D.L.Rhode等采用流动显示试验测量了阶梯形迷宫密封空腔内的流体振荡和流动不稳定性，发现对空腔内的直流射流存在着流动不稳定性，包括一个分叉的流线谱；他还通过试验，初步了解了迷宫通道内连同自激振荡一起发生的流动不稳定性现象[3]。图2为锯齿形迷宫密封内部流动速度矢量图。图2锯齿形迷宫密封内部流动速度矢量图赵斌采用数值模拟的办法，利用Gambit软件建立了阶梯型迷宫密封的二维计算网格，导入Fluent软件，采用SIMPLE算法对迷宫密封内部流场进行数值模拟，得出了迷宫密封内部流场的速度、压力、湍流强度以及湍流粘度的分布云图。结果表明，气流流经齿缝时是加速降压过程，气流流出齿缝进入齿腔时是等压增阻过程。选取6种不同尺寸的阶梯型迷宫密封结构，分别得出在不同的雷诺数条件下压力降系数与涡流损失系数变化曲线;选择具有较好密封性能的LS3阶梯型迷宫密封结构作为最优结构[4]。3.2密封性能的影响因素在迷宫密封性能影响因素的研究方面，由于影响因素很多，如总体结构型式、节流间隙形状、间隙尺寸、涡流空腔形状、空腔尺寸、密封齿数、密封齿倾斜角度大小、介质流向、温度和压力条件、介质特性、偏心度、径向密封时机械的旋转速度、轴向密封时轴的运动速度和运动频率等等，目前都是采用数值研究与实验研究相结合的方法。D.L.Rhode等以航天主发动机为背景所开展的系列研究，详细地探讨了结构尺寸变化对不同形式迷宫密封性能的影响，大大加深了人们对迷宫通道内部流动的稳态特性的认识。研究表明，薄齿情况下，泄漏量受齿厚影响很小；在小间隙宽度情况下，间隙效应对泄漏量的影响较大；密封齿被磨损后会增加迷宫密封的泄漏量，关于这一方面的研究以前几乎没有[7]。这同样能用数值模拟得到验证，巴鹏采用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化迷宫密封特性研究6网格模型，利用FLUENT模拟迷宫密封的内部流动，分析空腔深度、间隙宽度、节流片的倾斜角对迷宫密封性能的影响，得到较为优化的迷宫密封结构。结果表明:间隙宽度增加，迷宫密封泄漏量逐渐增大，空腔深度和节流片倾斜角增大，泄漏量减小；间隙宽度和空腔深度对密封性能影响较大，而节流片倾斜角的影响较小[5]。S.Witting等主要采用试验的方法研究了公差比例效应等因素对迷宫密封性能的影响，研究发现，雷诺数Re和马赫数Ma与相应的结构尺寸变化一样，对迷宫密封的性能起重要影响。主要表现在:随着结构尺寸比例的增大，迷宫密封的泄漏量增加;随着雷诺数Re和马赫数Ma的增大，迷宫密封的泄漏量增加。另外，他还通过数值计算和实验研究相结合的方法，重点研究了阶梯型迷宫密封的传热特性。结果表明，迷宫密封结构的变化对于换热特性有较大的影响，在小间隙宽度时，定子的努谢尔数Nu高于转子的努谢尔数Nu，而在大间隙宽度情况下则相反，即定子的努谢尔数Nu数低于转子的努谢尔数Nu数。王炜哲等应用了数值模拟和实验相结合的方法，通过建立迷宫密封一转子试验台，对密封进出口压比分别为1.5、3.0、6.0和7.0下的密封腔室内气流流动和转子振动特性进行同步试验测量，并基于振荡流体力学原理进行数值计算分析。通过对定转速条件下的密封齿腔平均压力、脉动压力周向分布以及转子临界转速等的对比分析，表明迷宫密封内气流流动对转子临界转速影响明显，试验测量和数值计算结果比较吻合[6]。王锁芳等人通过对不同齿型的封严篦齿的流动进行数值模拟，系统分析了齿型结构的微小变化对封严效果的影响。研究结果表明:齿腔大小和齿腔形状是决定篦齿封严效果的重要因素，并指出等腰梯形齿的密封特性优于其它齿型。他还通过数值计算和实验相结合的方法研究了转速对密封性能的影响，研究表明，在低转速情况下，转速对密封性能的影响很小。3.3泄漏量的计算迷宫密封的泄漏特性由流量系数来表征，流量系数等于实际泄漏量与理想泄漏量之比。流量系数大都由试验数据和经验来取得。流量系数越小则表示密封性能越好。因此，设计良好的密封应该具有较小的流量系数。由于迷宫密封内流体流动状态为湍流，其流动机理还没有完全被掌握，因此现有的计算泄漏量公式大多为在理想泄漏量公式的基础上进行修正得到的。按照发展先后，有Egli计算法、Kcarton计算法、Somerling计算法、Stodola计算法等，之后JosephK.Scharrer和Childs。在这些计算方法中，都是采用首先由热力学的一些理想过程模型推导出的计算关系式，后再用由实验或经验数据得到的流量系数进行修正而得出泄漏量的值。朱高涛、刘卫华对现有的几种迷宫密封泄漏量计算方法的理论推导原理、公式特点、使用方法与适用范围等进行了分析，并提出了一种简化分析的迭代计算方法。这使得可以通过很简单的迭代程序预测迷宫密封泄漏特性，避免了对迷宫密封泄漏特性复杂困难的数值模迷宫密封特性研究7拟[7]。因为热力学方法计算泄漏量有一定的缺陷，一些文献采用了数值方法来预报密封的泄漏特性，这方面以D.L.Rhode为代表的美国研究人员做了大量的工作[8]。例如，他通过数值计算的方法得到了不同结构迷宫密封的密封特性，即密封压差随结构参数的变化情况，从中确定出一种最优结构。H.A.EI-Gamal等人研究了不可压缩流动在静止和旋转情况下不同结构迷宫的密封性能并指出，不同迷宫结构的密封性能随空腔宽度与齿高的比率的增大而提高，但是随着比率的增加，存在着性能好坏的差异，而且轴旋转与否对不同结构迷宫密封性能的影响不同。刘有军等也采用有限元数值预报了径向迷宫密封的泄漏特性。他研究了一种通过单腔室迷宫密封可压缩流动的数值计算结果得到整体迷宫密封的泄漏特性的方法。李志刚等采用标准k2-ε紊流模型和三维RANS方程求解方法，数值研究了密封间隙、压比、转速对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律并得出：用相对流量系数（转动时的流量系数与静止