錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力影響機制研究*

王 平 孫 丹 趙 歡 肖忠會 孟繼綱

(1.沈陽航空航天大學航空發動機學院，遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室 遼寧沈陽 110136； 2.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧重大裝備制造協同創新中心 遼寧沈陽 110142)

密封是透平機械的重要部件，其性能直接影響透平機械的工作效率[1-3]。隨著透平機械工作介質參數不斷提高，迷宮密封在工作介質參數較高時，易導致轉子系統失穩[4-5]，VANCE和SHULTZ[6]提出了可減小周向流速增強穩定性的袋型阻尼密封結構，如圖1所示。CAMATTI等[7]在對某一離心壓縮機進行實驗時發現，在高壓比下，發散間隙蜂窩阻尼密封會產生負的直接剛度使此離心壓縮機不能正常工作，而更換成收斂間隙蜂窩阻尼密封后改變了這一狀況。因此研究錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力影響具有重要意義。

圖1 袋型阻尼密封結構示意

數值分析方面，LI等[8]研究了壓比與轉速對袋型阻尼密封直接剛度系數與直接阻尼系數的影響。RANSOM等[9]對比分析了在不同壓比與轉速下，袋型阻尼密封與迷宮密封的動力特性系數。孫丹等人[10]應用瞬態單頻方法研究了袋型阻尼密封在轉子橢圓渦動軌跡下的徑向氣流力與切向氣流力。李志剛[11]應用瞬態多頻方法研究得出當密封齒數量與周向擋板數量為8時，袋型阻尼密封穩定性最好。實驗研究方面，VANCE和SHULTZ[6,12]采用沖擊實驗測量了當轉速為0時，在不同進出口壓比下，袋型阻尼密封的有效阻尼系數。LI和VANCE[13]首次應用沖擊錘和降速實驗測量了考慮轉子轉速時的動力特性系數。ERTAS等[14-15]通過實驗對比發現貫通型袋型阻尼密封具有更大的有效阻尼系數與正的直接剛度。VANNINI等[16]通過系統阻抗法測量得出了在高壓比下，渦動頻率與正反預旋對袋型阻尼密封動力特性的影響規律。現有對袋型阻尼密封動力特性數值與實驗研究多為等間隙袋型阻尼密封，未考慮錐形間隙對袋型阻尼密封動力特性的影響，少有研究錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力影響機制。

本文作者建立了錐形間隙袋型阻尼密封數值求解模型，研究進出口壓比、偏心率、轉速及錐形度對袋型阻尼密封氣流力的影響；設計了密封氣流力實驗臺，分析在不同進出口壓比及偏心率下錐形間隙袋型阻尼密封氣流力的大小；通過密封壓力分布規律揭示錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力的影響機制。

1 錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力影響數值研究

1.1 求解模型

錐形間隙袋型阻尼密封幾何模型示意圖和等間隙袋型阻尼密封實驗件如圖2(a)(b)所示，錐形度T定義為

T=Cin/Cout

(1)

式中:Cin為進口密封間隙；Cout為出口密封間隙。

T>1為收斂間隙袋型阻尼密封，T=1為等間隙袋型阻尼密封，T<1為發散間隙袋型阻尼密封。3種密封形式除錐形度不同外，其余結構參數并無差異。等間隙袋型阻尼密封結構如圖3所示，結構尺寸參數如表1所示。

圖3 等間隙袋型阻尼密封結構

表1 錐形間隙袋型阻尼密封實驗件幾何參數

1.2 網格劃分

文中采用六面體網格劃分，錐形間隙袋型阻尼密封網格劃分如圖4所示。對密封間隙與近壁面區域網格進行加密處理，經網格無關性驗證后確定錐形間隙袋型阻尼密封網格數為652萬。

圖4 網格劃分

1.3 邊界條件的設置

表2給出了錐形間隙袋型阻尼密封泄漏量與氣流力求解模型的邊界條件。進口處設置總壓、總溫，采用標準k-ε湍流模型，固定壁面為光滑、絕熱、無滑移邊界。

表2 邊界條件

2 錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力影響實驗研究

2.1 實驗裝置

圖5所示為密封氣流力實驗臺，實驗臺主要由袋型阻尼密封件、轉子、傳感器等組成。袋型阻尼密封實驗件由結構、大小相同的兩部分組成并通過法蘭盤連接，放置在水平的圓盤上。環形槽內均布設有4根進氣管和4個用于監測其內部壓力的壓力傳感器。4個位移傳感器安裝于4根支撐梁上并靠近袋型阻尼密封件，用于監測其徑向移動。進氣總路上安裝渦街流量計測量密封泄漏量。

圖5 密封氣流力實驗臺

2.2 實驗原理

當轉子處于偏心位置時，由于流體動壓效應，密封間隙小處壓力大，密封間隙大處壓力小，由此形成指向轉子同心方向的浮動同心力。當浮動同心力大于滾珠與圓盤間的摩擦力時，袋型阻尼密封件將會向同心方向移動，在移動過程中，偏心率減小，浮動同心力降低，最終袋型阻尼密封件穩定于平衡位置。浮動同心力越大，袋型阻尼密封件到達平衡位置所用時間越短，并且最終的平衡位置更接近于同心。氣流對轉子產生的徑向氣流力與對浮動密封環產生的浮動同心力大小相等，方向相反。所以，可以通過實驗測量袋型阻尼密封件偏心率的變化情況判斷浮動同心力的大小，從而分析袋型阻尼密封徑向氣流力的大小。

2.3 實驗方法

圖6所示為密封氣流力實驗測試系統，實驗時首先要使袋型阻尼密封件水平同心，然后通過固定限位桿限制袋型阻尼密封件在某一方向上的徑向移動并調節自由端方向上的兩根限位桿，給定袋型阻尼密封件預置偏心率。進氣前解除限位，氣流沿進氣管進入環形槽內再經過環形導流板進入間隙。使用YE6232B采集儀對位移、泄漏量和壓力等數據進行采集。通過袋型阻尼密封件偏心率的變化情況及向同心方向的移動速度分析其徑向氣流力的大小。

圖6 密封氣流力實驗測試系統

2.4 數值與實驗驗證

圖7(a)給出了當偏心率為0.5，轉速為0時，進出口壓比對密封泄漏量的影響。當進出口壓比增大時，密封泄漏量增大；發散間隙袋型阻尼密封的泄漏量大于收斂間隙袋型阻尼密封的9.4%～13.9%。圖7(b)所示為當進出口壓比為3.4，轉速為0時，偏心率對密封泄漏量的影響。當偏心率增大時，密封泄漏量增加；等間隙袋型阻尼密封的泄漏量最小，發散間隙袋型阻尼密封的泄漏量約為收斂間隙袋型阻尼密封的1.15倍。數值結果與實驗結果最大偏差為6.2%，驗證了數值求解模型的準確性。

圖7 密封泄漏量

收斂間隙與發散間隙袋型阻尼密封泄漏量較大，是由于其平均徑向間隙增加，泄漏面積擴大。當平均徑向間隙相同時，收斂間隙袋型阻尼密封泄漏量小于發散間隙袋型阻尼密封。圖8所示為密封軸向壓降曲線，靠近密封出口處壓降大，節流效果強，收斂間隙袋型阻尼密封出口間隙小，節流作用增強，使得其泄漏量減少。

圖8 密封軸向壓降曲線

3 結果分析

3.1 數值結果分析

3.1.1 進出口壓比對密封氣流力影響分析

圖9給出了當偏心率為0.5，轉速為0時，進出口壓比對密封徑向氣流力的影響。隨著進出口壓比的增大，收斂間隙袋型阻尼密封與等間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力線性增加，發散間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力絕對值增大；收斂間隙密封與等間隙袋型密封徑向氣流力方向與發散間隙袋型阻尼密封徑向氣流力方向相反；同一進出口壓比下，3種密封中徑向氣流力從大到小依次為收斂間隙袋型阻尼密封、等間隙袋型阻尼密封、發散間隙袋型阻尼密封。進出口壓比增大，密封楔形間隙產生的徑向壓差逐漸擴大，從而密封徑向氣流力增大。

圖9 進出口壓比對密封徑向氣流力的影響

3.1.2 偏心率對密封氣流力影響分析

圖10給出了當進出口壓比為3.4，轉速為0時，偏心率對密封徑向氣流力的影響，隨著偏心率的增大，收斂間隙袋型阻尼密封與等間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力增大，發散間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力的絕對值增大；當偏心率相同時，收斂間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力大于等間隙袋型阻尼密封與發散間隙袋型阻尼密封。這是因為偏心率增大，密封楔形間隙內的徑向壓差進一步擴大，密封徑向氣流力增大。

圖10 偏心率對密封徑向氣流力的影響

3.1.3 轉速對密封氣流力影響分析

圖11給出了當進出口壓比為3.4，偏心率為0.5時，轉速對密封氣流力的影響，從圖11(a)中可以看出，轉速對錐形間隙袋型阻尼密封徑向氣流力影響較小，同一轉速下，3種密封中徑向氣流力從大到小依次為收斂袋型阻尼密封、等間隙袋型阻尼密封、發散間隙袋型阻尼密封。從圖11(b)中可以看出，當轉速為0時，密封切向氣流力為0；3種密封的切向氣流力均隨著轉速的增加而增大。這是因為當轉子轉速增大時，在轉子的帶動下密封間隙內氣流流速加快，黏性力增大，從而氣流對轉子的切向氣流力增大。因此，密封間隙內氣流的周向流動是形成切向氣流力的主要原因，并且隨著轉速的提高，氣流周向流動速度加快，密封切向氣流力增大。

圖11 轉速對密封氣流力的影響

3.2 實驗結果分析

3.2.1 進出口壓比對密封氣流力影響分析

圖12分別為收斂間隙袋型阻尼密封和等間隙袋型阻尼密封當偏心率為0.5，轉速為0時，在不同進出口壓比下偏心率的變化情況。從圖12(a)中可以看出，在不同進出口壓比下，加氣后，收斂間隙袋型阻尼密封向同心方向移動；隨著進出口壓比的增大，收斂間隙袋型阻尼密封向同心方向移動速度加快，最終的平衡位置偏心率更小。從圖12(b)中可以看出，在不同進出口壓比下，等間隙袋型阻尼密封保持在初始偏心位置不動。通過袋型阻尼密封件偏心率的變化情況，可以分析得出，收斂間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力大于等間隙袋型阻尼密封，并且隨著進出口壓比的增大，徑向氣流力不斷增加，這與數值結果相一致。

圖12 進出口壓比對密封自同心性能影響

3.2.2 偏心率對密封氣流力影響分析

圖13分別為收斂間隙袋型阻尼密封和等間隙袋型阻尼密封當進出口壓比為3.4，轉速為0時，在不同預置偏心率下偏心率的變化情況。從圖13(a)中可以看出，在不同預置偏心率下，收斂間隙袋型阻尼密封均向同心方向移動，并且隨著偏心率的增加，移動到平衡位置所需時間縮短，從圖13(b)中可以看出，只有當預置偏心率為0.9時，等間隙袋型阻尼密封向同心方向移動。通過袋型阻尼密封件偏心率的變化可以分析得出，在不同偏心率下，收斂間隙袋型阻尼的徑向氣流力大于等間隙袋型阻尼密封;隨著偏心率的增加，收斂間隙袋型阻尼密封與等間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力均增大，實驗結果與數值結果相一致。

圖13 偏心率對密封自同心性能影響

4 錐形間隙對袋型阻尼密封氣流力機制研究

圖14所示為當進出口壓比為3.4，偏心率為0.5，轉速為0時，錐形間隙袋型阻尼密封的周向壓力分布。收斂間隙袋型阻尼密封的周向壓差大于等間隙袋型阻尼密封，收斂間隙袋型阻尼密封與等間隙袋型阻尼密封的周向壓力呈階梯形式分布，各腔室內壓力相等，并且其周向壓力關于y軸即偏心方向對稱，所以只有指向軸心方向的徑向氣流力，沒有切向氣流力。因此可以分析得出，當轉速為0時，轉子只有徑向氣流力，無切向氣流力。

圖14 密封周向壓力分布

圖15所示為當進出口壓比為3.4，偏心率為0.5，轉速為0時，沿氣流流動方向，密封徑向最小間隙處與最大間隙處的壓差。3種密封形式中，收斂間隙袋型阻尼密封徑向最小間隙與徑向最大間隙的壓差大于等間隙袋型阻尼密封，且此2種密封的徑向壓差為正值，而發散間隙袋型阻尼密封的徑向壓差為負值。所以收斂間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力大于等間隙袋型阻尼密封并且徑向氣流力為正值，方向由小間隙指向大間隙，發散間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力為負值，方向由大間隙指向小間隙。

圖15 密封徑向壓差

圖16為收斂間隙袋型阻尼密封示意圖，其中O1O2為轉子軸，O3O4為密封軸，偏心率為e。在不同進出口壓比、偏心率及轉速下，收斂間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力均大于等間隙袋型阻尼密封與發散間隙袋型阻尼密封，這主要由于收斂間隙袋型阻尼密封沿氣流流動方向，密封徑向間隙不斷減小，進入密封腔中的氣體量大于排出的氣體量，氣體的聚集使得密封腔中壓力p2升高，徑向壓差增大，從而產生較大的徑向氣流力Fr。

圖16 收斂間隙袋型阻尼密封示意

5 結論

(1)隨著進出口壓比與偏心率的增大，密封間隙內流體動壓效應增強，錐形間隙袋型阻尼密封徑向氣流力增大。

(2)密封間隙內氣流的周向流動是形成密封切向氣流力的主要原因，當轉速為0時，密封切向氣流力為0，隨著轉速的提高，密封切向氣流力增大。

(3)收斂間隙袋型阻尼密封沿氣流流動方向，密封徑向間隙不斷減小，氣體在密封腔內聚集使得腔內壓力升高，徑向壓差增大，從而產生較大的徑向氣流力。