锥形间隙对袋型阻尼密封气流力影响机制研究*

王 平 孙 丹 赵 欢 肖忠会 孟继纲

(1.沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室 辽宁沈阳 110136； 2.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁重大装备制造协同创新中心 辽宁沈阳 110142)

密封是透平机械的重要部件，其性能直接影响透平机械的工作效率[1-3]。随着透平机械工作介质参数不断提高，迷宫密封在工作介质参数较高时，易导致转子系统失稳[4-5]，VANCE和SHULTZ[6]提出了可减小周向流速增强稳定性的袋型阻尼密封结构，如图1所示。CAMATTI等[7]在对某一离心压缩机进行实验时发现，在高压比下，发散间隙蜂窝阻尼密封会产生负的直接刚度使此离心压缩机不能正常工作，而更换成收敛间隙蜂窝阻尼密封后改变了这一状况。因此研究锥形间隙对袋型阻尼密封气流力影响具有重要意义。

图1 袋型阻尼密封结构示意

数值分析方面，LI等[8]研究了压比与转速对袋型阻尼密封直接刚度系数与直接阻尼系数的影响。RANSOM等[9]对比分析了在不同压比与转速下，袋型阻尼密封与迷宫密封的动力特性系数。孙丹等人[10]应用瞬态单频方法研究了袋型阻尼密封在转子椭圆涡动轨迹下的径向气流力与切向气流力。李志刚[11]应用瞬态多频方法研究得出当密封齿数量与周向挡板数量为8时，袋型阻尼密封稳定性最好。实验研究方面，VANCE和SHULTZ[6,12]采用冲击实验测量了当转速为0时，在不同进出口压比下，袋型阻尼密封的有效阻尼系数。LI和VANCE[13]首次应用冲击锤和降速实验测量了考虑转子转速时的动力特性系数。ERTAS等[14-15]通过实验对比发现贯通型袋型阻尼密封具有更大的有效阻尼系数与正的直接刚度。VANNINI等[16]通过系统阻抗法测量得出了在高压比下，涡动频率与正反预旋对袋型阻尼密封动力特性的影响规律。现有对袋型阻尼密封动力特性数值与实验研究多为等间隙袋型阻尼密封，未考虑锥形间隙对袋型阻尼密封动力特性的影响，少有研究锥形间隙对袋型阻尼密封气流力影响机制。

本文作者建立了锥形间隙袋型阻尼密封数值求解模型，研究进出口压比、偏心率、转速及锥形度对袋型阻尼密封气流力的影响；设计了密封气流力实验台，分析在不同进出口压比及偏心率下锥形间隙袋型阻尼密封气流力的大小；通过密封压力分布规律揭示锥形间隙对袋型阻尼密封气流力的影响机制。

1 锥形间隙对袋型阻尼密封气流力影响数值研究

1.1 求解模型

锥形间隙袋型阻尼密封几何模型示意图和等间隙袋型阻尼密封实验件如图2(a)(b)所示，锥形度T定义为

T=Cin/Cout

(1)

式中:Cin为进口密封间隙；Cout为出口密封间隙。

T>1为收敛间隙袋型阻尼密封，T=1为等间隙袋型阻尼密封，T<1为发散间隙袋型阻尼密封。3种密封形式除锥形度不同外，其余结构参数并无差异。等间隙袋型阻尼密封结构如图3所示，结构尺寸参数如表1所示。

图3 等间隙袋型阻尼密封结构

表1 锥形间隙袋型阻尼密封实验件几何参数

1.2 网格划分

文中采用六面体网格划分，锥形间隙袋型阻尼密封网格划分如图4所示。对密封间隙与近壁面区域网格进行加密处理，经网格无关性验证后确定锥形间隙袋型阻尼密封网格数为652万。

图4 网格划分

1.3 边界条件的设置

表2给出了锥形间隙袋型阻尼密封泄漏量与气流力求解模型的边界条件。进口处设置总压、总温，采用标准k-ε湍流模型，固定壁面为光滑、绝热、无滑移边界。

表2 边界条件

2 锥形间隙对袋型阻尼密封气流力影响实验研究

2.1 实验装置

图5所示为密封气流力实验台，实验台主要由袋型阻尼密封件、转子、传感器等组成。袋型阻尼密封实验件由结构、大小相同的两部分组成并通过法兰盘连接，放置在水平的圆盘上。环形槽内均布设有4根进气管和4个用于监测其内部压力的压力传感器。4个位移传感器安装于4根支撑梁上并靠近袋型阻尼密封件，用于监测其径向移动。进气总路上安装涡街流量计测量密封泄漏量。

图5 密封气流力实验台

2.2 实验原理

当转子处于偏心位置时，由于流体动压效应，密封间隙小处压力大，密封间隙大处压力小，由此形成指向转子同心方向的浮动同心力。当浮动同心力大于滚珠与圆盘间的摩擦力时，袋型阻尼密封件将会向同心方向移动，在移动过程中，偏心率减小，浮动同心力降低，最终袋型阻尼密封件稳定于平衡位置。浮动同心力越大，袋型阻尼密封件到达平衡位置所用时间越短，并且最终的平衡位置更接近于同心。气流对转子产生的径向气流力与对浮动密封环产生的浮动同心力大小相等，方向相反。所以，可以通过实验测量袋型阻尼密封件偏心率的变化情况判断浮动同心力的大小，从而分析袋型阻尼密封径向气流力的大小。

2.3 实验方法

图6所示为密封气流力实验测试系统，实验时首先要使袋型阻尼密封件水平同心，然后通过固定限位杆限制袋型阻尼密封件在某一方向上的径向移动并调节自由端方向上的两根限位杆，给定袋型阻尼密封件预置偏心率。进气前解除限位，气流沿进气管进入环形槽内再经过环形导流板进入间隙。使用YE6232B采集仪对位移、泄漏量和压力等数据进行采集。通过袋型阻尼密封件偏心率的变化情况及向同心方向的移动速度分析其径向气流力的大小。

图6 密封气流力实验测试系统

2.4 数值与实验验证

图7(a)给出了当偏心率为0.5，转速为0时，进出口压比对密封泄漏量的影响。当进出口压比增大时，密封泄漏量增大；发散间隙袋型阻尼密封的泄漏量大于收敛间隙袋型阻尼密封的9.4%～13.9%。图7(b)所示为当进出口压比为3.4，转速为0时，偏心率对密封泄漏量的影响。当偏心率增大时，密封泄漏量增加；等间隙袋型阻尼密封的泄漏量最小，发散间隙袋型阻尼密封的泄漏量约为收敛间隙袋型阻尼密封的1.15倍。数值结果与实验结果最大偏差为6.2%，验证了数值求解模型的准确性。

图7 密封泄漏量

收敛间隙与发散间隙袋型阻尼密封泄漏量较大，是由于其平均径向间隙增加，泄漏面积扩大。当平均径向间隙相同时，收敛间隙袋型阻尼密封泄漏量小于发散间隙袋型阻尼密封。图8所示为密封轴向压降曲线，靠近密封出口处压降大，节流效果强，收敛间隙袋型阻尼密封出口间隙小，节流作用增强，使得其泄漏量减少。

图8 密封轴向压降曲线

3 结果分析

3.1 数值结果分析

3.1.1 进出口压比对密封气流力影响分析

图9给出了当偏心率为0.5，转速为0时，进出口压比对密封径向气流力的影响。随着进出口压比的增大，收敛间隙袋型阻尼密封与等间隙袋型阻尼密封的径向气流力线性增加，发散间隙袋型阻尼密封的径向气流力绝对值增大；收敛间隙密封与等间隙袋型密封径向气流力方向与发散间隙袋型阻尼密封径向气流力方向相反；同一进出口压比下，3种密封中径向气流力从大到小依次为收敛间隙袋型阻尼密封、等间隙袋型阻尼密封、发散间隙袋型阻尼密封。进出口压比增大，密封楔形间隙产生的径向压差逐渐扩大，从而密封径向气流力增大。

图9 进出口压比对密封径向气流力的影响

3.1.2 偏心率对密封气流力影响分析

图10给出了当进出口压比为3.4，转速为0时，偏心率对密封径向气流力的影响，随着偏心率的增大，收敛间隙袋型阻尼密封与等间隙袋型阻尼密封的径向气流力增大，发散间隙袋型阻尼密封的径向气流力的绝对值增大；当偏心率相同时，收敛间隙袋型阻尼密封的径向气流力大于等间隙袋型阻尼密封与发散间隙袋型阻尼密封。这是因为偏心率增大，密封楔形间隙内的径向压差进一步扩大，密封径向气流力增大。

图10 偏心率对密封径向气流力的影响

3.1.3 转速对密封气流力影响分析

图11给出了当进出口压比为3.4，偏心率为0.5时，转速对密封气流力的影响，从图11(a)中可以看出，转速对锥形间隙袋型阻尼密封径向气流力影响较小，同一转速下，3种密封中径向气流力从大到小依次为收敛袋型阻尼密封、等间隙袋型阻尼密封、发散间隙袋型阻尼密封。从图11(b)中可以看出，当转速为0时，密封切向气流力为0；3种密封的切向气流力均随着转速的增加而增大。这是因为当转子转速增大时，在转子的带动下密封间隙内气流流速加快，黏性力增大，从而气流对转子的切向气流力增大。因此，密封间隙内气流的周向流动是形成切向气流力的主要原因，并且随着转速的提高，气流周向流动速度加快，密封切向气流力增大。

图11 转速对密封气流力的影响

3.2 实验结果分析

3.2.1 进出口压比对密封气流力影响分析

图12分别为收敛间隙袋型阻尼密封和等间隙袋型阻尼密封当偏心率为0.5，转速为0时，在不同进出口压比下偏心率的变化情况。从图12(a)中可以看出，在不同进出口压比下，加气后，收敛间隙袋型阻尼密封向同心方向移动；随着进出口压比的增大，收敛间隙袋型阻尼密封向同心方向移动速度加快，最终的平衡位置偏心率更小。从图12(b)中可以看出，在不同进出口压比下，等间隙袋型阻尼密封保持在初始偏心位置不动。通过袋型阻尼密封件偏心率的变化情况，可以分析得出，收敛间隙袋型阻尼密封的径向气流力大于等间隙袋型阻尼密封，并且随着进出口压比的增大，径向气流力不断增加，这与数值结果相一致。

图12 进出口压比对密封自同心性能影响

3.2.2 偏心率对密封气流力影响分析

图13分别为收敛间隙袋型阻尼密封和等间隙袋型阻尼密封当进出口压比为3.4，转速为0时，在不同预置偏心率下偏心率的变化情况。从图13(a)中可以看出，在不同预置偏心率下，收敛间隙袋型阻尼密封均向同心方向移动，并且随着偏心率的增加，移动到平衡位置所需时间缩短，从图13(b)中可以看出，只有当预置偏心率为0.9时，等间隙袋型阻尼密封向同心方向移动。通过袋型阻尼密封件偏心率的变化可以分析得出，在不同偏心率下，收敛间隙袋型阻尼的径向气流力大于等间隙袋型阻尼密封;随着偏心率的增加，收敛间隙袋型阻尼密封与等间隙袋型阻尼密封的径向气流力均增大，实验结果与数值结果相一致。

图13 偏心率对密封自同心性能影响

4 锥形间隙对袋型阻尼密封气流力机制研究

图14所示为当进出口压比为3.4，偏心率为0.5，转速为0时，锥形间隙袋型阻尼密封的周向压力分布。收敛间隙袋型阻尼密封的周向压差大于等间隙袋型阻尼密封，收敛间隙袋型阻尼密封与等间隙袋型阻尼密封的周向压力呈阶梯形式分布，各腔室内压力相等，并且其周向压力关于y轴即偏心方向对称，所以只有指向轴心方向的径向气流力，没有切向气流力。因此可以分析得出，当转速为0时，转子只有径向气流力，无切向气流力。

图14 密封周向压力分布

图15所示为当进出口压比为3.4，偏心率为0.5，转速为0时，沿气流流动方向，密封径向最小间隙处与最大间隙处的压差。3种密封形式中，收敛间隙袋型阻尼密封径向最小间隙与径向最大间隙的压差大于等间隙袋型阻尼密封，且此2种密封的径向压差为正值，而发散间隙袋型阻尼密封的径向压差为负值。所以收敛间隙袋型阻尼密封的径向气流力大于等间隙袋型阻尼密封并且径向气流力为正值，方向由小间隙指向大间隙，发散间隙袋型阻尼密封的径向气流力为负值，方向由大间隙指向小间隙。

图15 密封径向压差

图16为收敛间隙袋型阻尼密封示意图，其中O1O2为转子轴，O3O4为密封轴，偏心率为e。在不同进出口压比、偏心率及转速下，收敛间隙袋型阻尼密封的径向气流力均大于等间隙袋型阻尼密封与发散间隙袋型阻尼密封，这主要由于收敛间隙袋型阻尼密封沿气流流动方向，密封径向间隙不断减小，进入密封腔中的气体量大于排出的气体量，气体的聚集使得密封腔中压力p2升高，径向压差增大，从而产生较大的径向气流力Fr。

图16 收敛间隙袋型阻尼密封示意

5 结论

(1)随着进出口压比与偏心率的增大，密封间隙内流体动压效应增强，锥形间隙袋型阻尼密封径向气流力增大。

(2)密封间隙内气流的周向流动是形成密封切向气流力的主要原因，当转速为0时，密封切向气流力为0，随着转速的提高，密封切向气流力增大。

(3)收敛间隙袋型阻尼密封沿气流流动方向，密封径向间隙不断减小，气体在密封腔内聚集使得腔内压力升高，径向压差增大，从而产生较大的径向气流力。