新型转子含叶栅的迷宫密封流场特性数值研究

孙 丹，丁俊杰，邵增德，惠中豪，韩 笑

(沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)

迷宫密封作为一种非接触式密封，由于其结构简单，工作状态稳定而广泛应用在航空发动机、汽轮机、空气压缩机等旋转机械上，起着节流降耗的作用。随着透平机械向高参数方向发展，密封的泄漏特性直接影响了旋转机械的工作效率。而传统的迷宫密封泄漏量较大，密封性能较差，使得透平机械效率损失大,燃油油耗高。因此，如何对现有的迷宫密封结构进行改进，降低其泄漏量，提高发动机工作效率，成为人们亟待解决的问题。

目前，国内外专家已经提出了很多种不同的迷宫密封改进方案，有一些已经投入了使用，如高低齿迷宫密封[2]、台阶齿迷宫密封[3]、直通式迷宫密封[4]、负错位迷宫密封[5]等。与此同时，有很多专家针对不同结构的迷宫密封做了泄漏特性的研究。华中科技大学的金秋颖[6]研究了迷宫密封斜齿角度和三角齿型对迷宫密封流场和泄漏量的影响，得出了密封齿倾斜的最佳角度；冯全科[7]等对往复式压缩机中的密封进行了试验，得到了密封间隙、转子偏心、迷宫槽齿数等因素对该类迷宫密封泄漏量的影响规律；王建中和黄守龙[8-9]通过静态试验分析了直通式迷宫密封的静态工作特性，分析了齿厚、齿数、空腔深宽比、空腔倾向对泄漏量的影响；南京航天航空大学设计了密封泄漏性试验台，研究了迷宫密封机构尺寸、转速及压比等参数的影响规律[10]；Eser和Kazakia[11]应用CFD软件Fluent计算了密封间隙内的流场，主要讨论了确定密封腔和齿的几何尺寸的确定问题；Moore[12]用三维CFD方法分析了汽封的动力系数，得到了直通型迷宫密封间隙流体详细的流场分布； Sankaranaryanasamy[13]等定义了液体密封中的一个半经验模型，用神经网络技术进行数据识别，对密封腔尺寸进行优化；国外学者Vermes[14]选用Martin公式模型，利用射流边界层理论推导了透气效应修正系数，推导了迷宫密封泄漏量的计算公式，用以改进迷宫密封结构。以上文献对迷宫密封的改进研究大都局限于静子密封套上，而鲜有关于通过改进转子的结构来降低密封泄漏量的文章发表。

鉴于此，本文借鉴叶栅吹风效应，提出了一种新型转子含叶栅的迷宫密封结构，其与传统迷宫密封的不同在于转子上安装了若干排叶栅。利用CFD建立传统密封和新型密封的求解模型，研究了在不同转子转动情况、不同转速和不同压比下传统密封与新型密封的泄漏流动特性，揭示了新型密封的封严机理。

1 新型迷宫密封设计思路引出

1.1 新型迷宫密封结构

迷宫密封作为非接触式密封，由于具有透气效应，密封泄漏量较大。鉴于此，本文提出了一种新型转子含叶栅的迷宫密封，其结构示意图如图1所示。新型迷宫密封包括：密封套、密封体和转子，密封体呈环形，固定于密封套的内侧，密封体的内侧沿其周向设置有密封齿，密封齿之间形成密封腔，转子设置于密封体的内侧，转子外表面沿其周向与轴向在密封腔中安装有多组叶栅，叶栅与转子轴线的夹角为-30°～30°。

图1 新型密封结构

1.2 新型迷宫密封工作原理

新型迷宫密封的转子上安装有叶栅，这样当在转子旋转的过程中，叶栅会随着转子在密封腔中转动。当叶栅旋转时，叶栅会以斜切的方式挤压一侧空气，从而产生一个低压区和一个高压区，产生吹风效应，形成一股气流，其工作原理如图2所示。在确定了泄漏气体的流动方向后，通过调节叶栅的角度，能够使这股气流的方向与泄漏气体方向相反，当两股气流在密封齿腔内相遇时，会产生大量的漩涡，进而耗散掉泄漏气体的动能，增加泄漏气体的沿程阻力，从而达到减少泄漏量的目的。

图2 新型迷宫密封工作原理

2 新型迷宫密封数值求解模型

2.1 求解模型

为了验证本文求解模型的准确性，并分析比较传统密封与新型密封流场特性和泄漏量特性的差异，本文采用文献[15]的传统密封求解模型。该应用CFD软件Tascflow对传统密封流场特性进行了数值求解，传统密封模型的结构和几何参数如图3所示。该文传统密封模型的静子带有5个锥形直齿，转子光滑，沿轴向周期分布。

图3 传统迷宫密封求解模型结构及尺寸

由于传统迷宫密封具有周期对称性,新型迷宫密封模型在传统迷宫密封模型的基础上采用周期建模的方法，选取了一个包含叶栅最小的单元体，即角度为5°的一段扇形求解模型，同时叶栅的角度选取300，保留了其中5个直齿，并在2个直齿之间的齿腔内和进出口的转子表面沿轴向方向增加了一个叶栅，新型迷宫密封结构如图4所示。由于研究的新型迷宫密封模型是一个5°的扇形段，所以该模型泄漏量的计算结果需要乘以72才得到整周密封圈的泄漏量。

2.2 求解模型网格划分

传统密封模型的网格划分区域及网格切面图如图5所示。对于传统迷宫密封，由于密封齿处流动状况较其它部分复杂，所以把网格模型划分为①、②、③这3个区域。为了细化流动特性变化较大的近壁面区域，相邻两节点间 距比为1.1，增加在近壁面处网格密度。为了得到合适的网格密度，本文首先分析了网格密度对密封泄漏量的影响，当计算密封泄漏量及密封气流力随网格密度变化率小于5%，并考虑计算机能力和计算时间等因素，本文网格密度n1、n2、n3、n4、n5分别为：15、25、50、10、120。

新型密封模型的网格划分区域及网格切面图如图6所示。对于新型迷宫密封，由于齿腔内的叶栅为不规则模型，为建立质量高的网格模型，本文在传统迷宫密封模型的基础上，将包含叶片的不规则密封齿腔与其他规则部分切割开，单独采用四面体网格划分，其余部分采用六面体网格划分。

图4 新型迷宫密封求解模型结构及尺寸

图5 传统模型网格划分

图6 新型模型网格划分

由于新型迷宫密封建立的求解模型使用的是周期性建模，模型是包含叶栅最小单元体的扇形段，不是完整的密封圈，所以需要定义流体域。本文引入了Interface接触面单元边界条件技术，如图7所示，在扇形面两侧采用Interface接触面单元边界条件，将流体域定义在扇形段内，可方便建立该新型密封的三维网格模型。

图7 新型迷宫密封Interface 接触面边界设置

经检查，网格的平均扭曲度为0.18，平均网格单元质量为0.83，满足计算要求。考虑到计算精度和计算时间等因素，对求解模型进行网格无关性验证后，最终确定传统迷宫密封求解模型的网格数为290万，新型迷宫密封求解模型的网格数为110万。

2.3 边界条件与数值研究方法

本文应用CFD软件Fluent求解k-ε湍流模型，应用有限体积法离散控制方程，Simple方法求解。压力离散采用Presto格式，动量方程离散采用二阶迎风格式，湍流能和耗散率采用一阶迎风格式。固体壁面为光滑绝热边界，近壁面由改进壁面函数法处理。方程残差达到 10-6数量级，进出口流量差小于 0.1%时，认为计算收敛。模型工况参数采用文献[15]中工况参数，如表1所示。

表1 迷宫密封模型工况参数

2.4 模型准确性验证

表2给出了本文计算的传统密封与新型密封泄漏量与文献[15]的对比。由表2中数据可以看出，文献[15]Tascflow 软件求解模型的泄漏量为1.08 kg/s，本文 Fluent 软件求解模型泄漏量为1.09 kg/s，相对偏差为0.93%，说明计算结果相吻合，验证了本文CFD 密封求解模型的准确性。而对于新型迷宫密封模型，其泄漏量为0.87 kg/s，下降了19.4%，这是因为新型迷宫密封转子上含有叶栅，使得当转子转动时，叶栅跟随转子在密封腔内转动。这会在叶栅上形成与泄漏气体流向相反的高压，产生了吹风效应，增加了气体泄漏的沿程阻力，从而降低了气体的泄漏量。

表2 本文模型准确性验证

3 计算结果与分析

3.1 流场特性分析

3.1.1 压力特性分析

图8分别是传统密封与新型密封的密封齿腔内压力分布图。从图8中可以看到，传统迷宫的压降主要存在齿间缝隙处，这是因为在齿尖间隙处产生了节流作用，导致泄漏气体速度增加，压力减少。最大压降存在于第一级和最后一级密封齿上，下降了0.6 MPa，中间的密封齿上下降了0.4 MPa。新型迷宫密封密封齿上的压降情况与传统迷宫密封相同，但由于新型密封转子上含有叶栅，导致密封腔内的压力分布与传统迷宫密封不同。新型迷宫密封在转子转动时，由于叶栅切割空气，在密封腔上形成了与泄漏气体流动方向相反的高压区，每一个叶栅上压差为0.3～0.5 MPa,这增加了泄漏气体的沿程阻力，减少了气体的泄漏量。

图8 传统密封与新型密封轴向压力分布比较

3.1.2 速度特性分析

图9分别是传统密封与新型密封的密封齿腔内速度分布图。从图9中可以看出传统迷宫密封泄漏气体的流速随着经过齿数的增加而增加，这是因为转子前后断面存在压差，使得泄漏气体速度持续增加，最大速度在出口处，达到了276m/s。新型迷宫密封没有叶栅的两侧泄漏气体流动情况与传统迷宫密封相同。而包含叶栅的部分由于叶栅的阻挡和转动时产生的与泄漏气体流动方向相反的高压区，阻碍了泄漏气体的流动，导致泄漏气体的速度下降，使得出口速度下降至234 m/s，从而降低了气体的泄漏量。

3.2 泄漏特性影响因素分析

3.2.1 转子正反转对泄漏特性影响分析

图10给出了传统密封与新型密封在转子正转、反转和不转情况下的泄漏量变化。从图10中可以看出对于传统密封，在转子的转动方向改变时，其泄漏量保持在1.08 kg/s左右，说明转子的转动情况对传统密封的泄漏量没有影响。而对于新型密封结构，在转子正转时泄漏量最小，为0.87 kg/s；在转子反转时泄漏量最大，为0.99 kg/s。这是因为新型迷宫的转子上含有叶栅，所以在转子转向不同时，叶栅上形成吹风效应的风向也同样不同。当风向与泄漏气体流向相反时，会阻碍气体的泄漏；当风向与泄漏气体流向相同时，会加强气体的泄漏，并且叶栅形成的吹风效应阻碍气体泄漏与加强气体泄漏的能力相同；在转子不转动时，新型迷宫密封相较于传统迷宫密封泄漏量也有所降低，这是因为叶栅本身也存在阻止气体流动的作用，从而减少了气体的泄漏。

图9 传统密封与新型密封轴向速度分布比

图10 转子正反转对泄漏量的影响

3.2.2 转速对泄漏特性的影响分析

图11给出了5种不同转速下传统密封与新型密封的泄漏量。从图11中可以看出，在低转速时，传统迷宫密封的泄漏量在1.08 kg/s左右，几乎没有变化；在高转速时，泄漏量下降了5%,说明转速对传统的迷宫密封气体泄漏量影响很小；而对于新型迷宫密封，随着转子转速的提高，气体的泄漏量近似直线下降，增幅达到了10%。这是因为随着转速的增加，转子上的叶栅所形成的吹风效应增强，加大了泄漏气体的沿程阻力，从而减少了气体的泄漏量。

图11 泄漏量随转速变化曲线

3.2.3 压比对泄漏特性的影响分析

图12给出了不同进出口压比下传统密封与新型密封的泄漏量。从图12中可以看出，随着进出口压比的增加，两种迷宫密封形式的泄漏量都有所增加，而且增加的幅度基本相同，都在45%左右。说明新型密封降低泄漏量的数值不随压比而变化，即当转子转动速度不变时，新型迷宫密封由于转子转动而形成吹风效应的强度不变，降低气体泄漏的数值不变。

图12 泄漏量随压比变化曲线

图13给出了不同进出口压比下新型迷宫密封的封严效果。图12中在不同进出口压比下新型迷宫密封相对传统迷宫密封下降的泄漏量数值分别为0.219、0.236、0.227、0.231；不同压比下传统迷宫密封总泄漏量分别为1.081、1.621、2.247、2.854。将新型迷宫密封的泄漏量下降数值比上传统迷宫密封泄漏量总数值即可得到新型迷宫密封封严效果。可以看到随着进出口压力的增大，新型密封封严效果逐渐变差。这是因为当转子转动速度不变时，新型迷宫密封由于转子转动而形成吹风效应的强度不变，降低气体泄漏的数值不变，但下降的百分比减少，从19.4%下降到14.7%。因为随着进出口压比的增加，泄漏气体量逐渐变大，导致新型迷宫密封降低气体泄漏的数值占气体泄漏总数值的百分比下降，使封严效果降低。说明该新型迷宫密封在低泄漏的情况下效果更好。

图13 新型密封封严效果

4 结论

本文借鉴叶片吹风效应提出了一种转子带叶栅的新型迷宫密封结构，应用 CFD 技术建立该新型密封流场特性求解模型，并与传统迷宫密封求解模型相对比，得到以下结论：

(1)与传统迷宫密封相比，新型迷宫密封由于转子上含叶栅，能够在转子转动时产生吹风效应，有效得降低了密封泄漏量，泄漏量降低百分比达到了19.4%；

(2)对于新型迷宫密封，由于转子上的叶栅固定，所以在转子转向不同时，所形成的吹风效应会产生不同的结果，即当方向与气体泄漏方向相同时增加泄漏；当方向与气体泄漏方向相反时减少泄漏。在转子不转动时，新型迷宫密封相较于传统迷宫密封泄漏量也有所降低，这是因为叶栅本身也存在阻止气体流动的作用，从而减少了气体的泄漏；

(3)相比于传统迷宫密封，转速对新型迷宫密封泄漏量的影响更大。这是因为新型迷宫密封转子上含有叶栅，所以当转速增加时，其上形成的吹风效应越强，阻止气体泄漏的能力越好；

(4)对于新型迷宫密封，其气体的泄漏量随着压比的增加而增大，但由于转速不变，所以其阻止气体泄漏量的数值不变，说明该新型迷宫密封低泄漏的情况下效果更好。