袋型阻尼密封泄漏特性分析＊

2021-12-17杨均武

风机技术 2021年5期

杨均武朱蕾胡峰张海

（1.中船邮轮科技发展有限公司；2.中国船舶重工集团公司第704研究所；3.哈尔滨工程大学）

0 引言

密封装置是燃气轮机中不可或缺的一部分，优秀的密封装置可以提高发动机的工作效率和可靠性。由密封不当引起的工质泄漏是发动机的主要损失之一，如汽轮机泄漏损失约为其总损失的22%[1]。因此，提高船用燃气轮机效率的一个有效途径是减小泄漏量，这也是设计透平机械的一个主要目标[2]。密封构件设计的目标之一就是有效的减少工质泄漏以及泄漏对于主流的影响。除此之外密封装置容易影响燃气轮机的振动响应，易产生流体激振力，进而使转子系统失稳。因此，密封装置设计的另一目标是控制激振力，以确保燃气轮机的转子系统在整个运行范围内保持稳定（减小交叉耦合刚度，增加直接阻尼）。为保证发动机具有一定的效率、输出功率和运行寿命，燃气轮机设计时需将高温、高压、高转速工况考虑在内，这需要研究密封的泄漏和转子动力学特性之间的最佳平衡[3-4]。

典型的密封装置有许多种，包括迷宫密封、篦齿密封、气膜密封、刷式密封、指尖密封和阻尼密封等。其中袋型阻尼密封是由美国德克萨斯A&M大学透平机械实验室的Vance 和Shultz 在1991 年首次研发。他们测量了密封齿齿数为2，且具有4 个袋型腔室的密封件的直接阻尼系数和泄漏量，发现袋型阻尼密封的直接阻尼系数要比迷宫密封高15 倍[5]。袋型阻尼密封解决了若干高压压气机中的转子不稳定问题。结果表明，与传统的迷宫式密封相比，袋型阻尼密封不仅降低了工质泄漏量，还有良好的转子动力学性能。对其泄漏特性及动力学特性的研究不仅有助于增加整机效率，减少泄漏量，更能降低因转子与密封件匹配不当而破碎进入主流的概率，避免发生严重事故。

密封存在的主要目的是控制泄漏。在针对密封的泄漏及动力学特性方面，Li[6]等提出了Bulk Flow 模型，并计算袋型阻尼密封动力学特性系数，他将预测与试验结果相比较，证明单控制体Bulk Flow 模型在该种密封件动力学特性研究中的有效性。Gamal 提出了袋型阻尼密封的泄漏和直接刚度系数的数值计算，进行了对早期流量计算模型的修改，采用发散结构的8齿和12齿密封泄漏和静压测量用于密封泄漏系数的计算，还提出了一些有关如何修改密封参数以获得所需的密封刚度变化的见解[7]。Childs 和Vance[8-9]也开展了袋型阻尼密封的相关研究，并发现齿数对工质有显著影响，同时发现密封间隙减小可以使阻尼增大泄漏量减小，减少齿数也有助于增大阻尼。

在国外，袋型阻尼密封主要用于压气机上用以防止迷宫密封引起转子失稳问题。为了使密封件的阻尼尽可能大，一般会减小密封构件的齿数，由于齿数减少，泄漏问题比较显著。针对泄漏流动，李志刚等通过数值方法研究了8 齿袋型阻尼密封的流场形态和泄漏量，并将计算得到的结果与实验值进行比较，得到密封间隙、压差和转子转速与密封件泄漏量的关系，同时也证明了数值方法的可靠性[10]。

本文以传统袋型阻尼密封和贯通挡板袋型密封为研究对象，利用ANSYS 完成建模、网格划分、模型计算及后处理工作。泄漏特性采用1/8 流体域模型进行计算。

1 数值方法

1.1 计算模型与网格

本文研究的袋型阻尼密封为具有矩形密封齿的8齿传统袋型阻尼密封和8 齿贯通挡板袋型阻尼密封两种试验件。图1为8齿传统袋型阻尼密封，沿轴向设置有交替排列的有效腔室和无效腔室。在周向上，有效腔室被周向挡板分割成8个独立的等弧段袋型腔室，而无效腔室在周向上则是相通的。有效腔室在轴向上要长于二次腔室。图2为8齿贯通挡板袋型阻尼密封，此时基本腔室“代替”有效腔室，二次腔室“代替”无效腔室，并且二次腔室也被周向挡板分割为8个独立的等弧段袋型腔室。两种模型均未采用任何发散型密封间隙结构。

图1 8齿传统袋型阻尼密封示意图Fig.1 Schematic diagram of 8 tooth traditional pocket type damping seal

图2 8齿贯通挡板袋型阻尼密封示意图Fig.2 Schematic diagram of 8 teeth through baffle pocket type damping seal

为了更好的研究密封件的泄漏特性，本文的研究对象取为密封件与转轴之间的流体域。本文利用建模软件ANSYS Workbench 建立袋型阻尼密封与转轴之间的流体域模型，由于研究密封件泄漏特性时忽略转子涡动行为，因此无需观察整周模型，只需采用1/8 的流体域模型即可。

袋型阻尼泄漏特性的计算模型如图3和图4所示，分别对应传统袋型阻尼密封和贯通挡板袋型阻尼密封。为了使进口与出口流场达到均匀，适当加长了进出口流道长度。袋型阻尼密封计算模型的截面尺寸如表1所示。

图3 8齿传统袋型阻尼密封三维计算模型图Fig.3 3D calculation model diagram of 8-tooth traditional pocket damping seal

图4 8齿贯通挡板袋型阻尼密封三维计算模型图Fig.4 3D calculation model diagram of 8-tooth through through baffle pocket damping seal

表1 8齿袋型阻尼密封计算模型截面尺寸Tab.1 Calculation model section size of 8 tooth pocket damping seal

1.2 网格无关性验证

对于流体域而言，网格数越少，每个网格的体积越大，此时无法准确捕捉尺度较小的涡。随着网格数目的增加，对于流场的模拟越精确。当网格的数目增加到一定量时，小尺度涡的捕捉对计算结果影响可忽略不计，此时泄漏特性对网格数的变化已不敏感。近壁面处网格尺度需满足本文所采用湍流模型k-ε的无量纲特征值Y+的要求。当密封件的计算结果只与密封件结构和设置参数有关，而与网格无关，网格无关性验证即成立。需保证网格合理的前提下，尽量使网格数降低。

本文以泄漏量即总质量流量为目标，观察其与网格数的关系。在初始验证网格无关性时，一般先计算网格数较小时的泄漏量，再在模型各个方向按比例逐步增加网格数，使得总网格数可以代表各处的网格疏密程度。以进口总压为0.3MPa，转子转速为18000r/min工况时的贯通挡板袋型阻尼密封为例，验证网格无关性。图5 展示了密封系统泄漏量随网格数目增加的变化，网格数目在50 万时，泄漏量基本不再波动，因此选择50万左右的网格为最佳。

图5 网格无关性验证Fig.5 Grid independence verification

1.3 袋型阻尼密封泄漏特性结果分析

采用商用CFD软件ANSYS CFX对模型进行数值分析，研究袋型阻尼密封所采用的边界条件及数值方法如表2所示。为了方便计算并且减少计算量，忽略转子振动对泄漏量的影响，将转子运动简化为仅绕密封件轴线旋转，转子的转速分别为18000、24000 和30000r/min，同时由于密封件尺寸较小，可忽略由离心力作用而导致转子直径变化对密封间隙产生的影响。密封件进口总压分别为0.3MPa、0.4MPa 和0.5MPa，出口静压为0.1MPa，可得压差分别为0.2MPa、0.3MPa 和0.4MPa，因此3种压差与3种转速可组合为9种工况。由于忽略了转子涡动，可采取稳态计算方法，所用湍流模型为k-ω模型。

表2 边界条件及数值方法Tab.2 Boundary conditions and numerical methods

为了更好的分析袋型阻尼泄漏特性，将分别比较两种不同结构密封件的泄漏量与压差、转速的关系，并观察其压力云图与流线图，再对比两种不同结构密封件泄漏特性的优劣。

1.4 8齿传统袋型阻尼密封泄漏特性结果分析

从表3及图6可得8齿传统袋型阻尼密封泄漏量与压差及转速的关系。传统袋型阻尼密封泄漏量随着压差的增加而增加，在压差为0.2～0.4MPa 的范围内，密封件泄漏量与压差近似成正比。不考虑转子振动时，传统袋型阻尼密封泄漏量随着转子转速的增加而降低，但是与压差的影响相比，转子转速所引起的泄漏量变化可忽略不计。

表3 8齿传统袋型阻尼密封泄漏量(kg/s)Tab.3 8-Tooth traditional bag type damping seal leakage(kg/s)

图6 8齿传统袋型阻尼密封泄漏量Fig.6 8-Tooth traditional pocket type damping seal leakage

以压差为0.2MPa、转子转速为18000r/min的工况为例，分析传统袋型阻尼密封的压力云图和流线图。为了更好地观察流体域上的压力及流线分布，在流体域中分别截取4个具有代表性的截面如图7所示：截面1、截面2、截面3和截面4。在这4个截面上分别作压力云图和流线图，进行分析比较。

图7 8齿传统袋型阻尼密封截面所取位置Fig.7 The selected location of the traditional 8-tooth pocket damping seal section

图8～图11 为传统袋型阻尼密封在截面上的压力云图及流线图，如图8 和图9 所示，由于进出口压差的作用，流体具有一定的轴向速度，压差越大，流速越大。并且沿流体域轴向方向压力减小，速度增加，由于密封齿的存在，流体在腔室中的轴向流动被阻断，形成旋涡结构。

图8 8齿传统袋型阻尼密封截面1处压力云图及流线图Fig.8 The pressure cloud diagram and steamline diagram of the traditional 8-tooth pocket damping seal section 1

图9 8齿传统袋型阻尼密封截面2处压力云图及流线图Fig.9 The pressure cloud diagram and steamline diagram of the traditional 8-tooth pocket damping seal section 2

如图10和图11所示，沿流体域周向方向上，在转子面的粘性剪切力驱动下，流体在周向上具有一定速度。由于周向挡板的存在，流体在有效腔室中的周向流动被阻断，形成漩涡结构。与无效腔室中的流场状态相比，周向挡板的阻隔作用使流场在有效腔室内的流动更为复杂，在轴向和周向上均存在较为强烈的旋涡流动。因此有效腔室比无效腔室的粘性耗散作用更强，流体动能转化为流体内能的效率更高，这有利于降

图10 8齿传统袋型阻尼密封截面3处压力云图及流线图Fig.10 The pressure cloud diagram and steamline diagram of the traditional 8-tooth pocket damping seal section 3

1.5 8齿贯通挡板袋型阻尼密封泄漏特性分析

从表4 及图12 可得8 齿贯通挡板袋型阻尼密封泄漏量与压差及转速的关系。与传统袋型阻尼密封类似，贯通挡板袋型阻尼密封泄漏量也随着压差的增加而增加，并且在压差为0.2～0.4MPa 的范围内，其泄漏量与压差近似成正比。忽略转子振动时，贯通挡板袋型阻尼密封泄漏量随着转子转速的增加而降低，但是与压差的作用相比，转子转速对密封件泄漏量的影响可低流速，减少泄漏量。无效腔室中的流场状态为与转子旋转方向同向的周向环流，根据Blasius 湍流壁面剪切应力理论，随着转子面转速增加，无效腔室中的环流速度也将增加，从而使粘性耗散作用加强，更能减小轴向流动速度，因此也能解释转子转速增加，泄漏量略有降低这一现象。传统袋型阻尼密封腔室内的粘性耗散作用主要为有效腔室中的旋涡流动和无效腔室中绕转子轴线的环流。忽略不计。

表4 8齿贯通挡板袋型阻尼密封泄漏量(kg/s)Tab.4 8-tooth through-through baffle bag damping seal leakage(kg/s)

图11 8齿传统袋型阻尼密封截面4处压力云图及流线图Fig.11 The pressure cloud diagram and steamline diagram of the traditional 8-tooth pocket damping seal section 4

图12 展示了流体域中所取的4 个具有代表性的截面，并且截面所处位置与分析上述传统袋型阻尼密封泄漏特性时一致。以压差为0.2MPa、转子转速为18000r/min的工况为例，分析贯通挡板袋型阻尼密封的压力云图和流线图。

图13至图16为贯通挡板袋型阻尼密封在截面上的压力云图及流线图，与传统袋型阻尼密封类似，贯通挡板袋型阻尼密封腔室内的流体具有轴向速度和周向速度，并且由于密封齿和周向挡板的存在，流体在腔室内的轴向和周向流动被阻断，在腔室内形成复杂的旋涡流动。对比图15和图16可得，由基本腔室产生的旋涡流动比二次腔室产生的旋涡流动更为强烈，因此基本腔室中的粘性耗散作用要强于二次腔室。贯通挡板袋型阻尼密封腔室内的粘性耗散作用主要为基本腔室和二次腔室内的旋涡流动。

图12 8齿贯通挡板袋型阻尼密封泄漏量Fig.12 8 tooth through-through baffle pocket damping seal leakage

图13 8齿贯通挡板袋型阻尼密封截面1处压力云图及流线图Fig.13 The pressure cloud diagram and steamline diagram of the 8-tooth through-through baffle pocket damping seal section 1

图14 8齿贯通挡板袋型阻尼密封截面2处压力云图及流线图Fig.14 The pressure cloud diagram and steamline diagram of the 8-tooth through-through baffle pocket damping seal section 2

图15 8齿贯通挡板袋型阻尼密封截面3处压力云图及流线图Fig.15 The pressure clouddia gram and steamline diagramof the 8-tooth through-through baffle pocket damping sealsection 3

图16 8齿贯通挡板袋型阻尼密封截面4处压力云图及流线图Fig.16 The pressure cloud diagram and steamlinediagram of the 8-tooth through-through baffle pocket damping sealsection 4

1.6 不同结构袋型阻尼泄漏特性

由于袋型阻尼密封泄漏特性对压力较为敏感，为了能在图上更清楚地看到每条泄漏特性曲线，以转子转速为横坐标，泄漏量为纵坐标，比较相同压差下不同密封种类的泄漏量大小。令传统袋型阻尼密封为密封件1，贯通挡板袋型阻尼密封为密封件2，得到两种不同结构袋型阻尼密封对比图。如图17 所示，在不同压差下，密封件1泄漏量总要略大于密封件2，也即相同工况下传统袋型阻尼密封的泄漏特性要略逊于贯通挡板袋型阻尼密封，但是与压差对泄漏量的影响相比，也可近似忽略。从图中还能够定性的看出，转子转速越大，两种密封装置泄漏量相差越多。

图17 不同型号袋型阻尼密封泄漏特性对比Fig.17 Comparison of leakage characteristics of different types of pocket damping seal

图18 不同型号袋型阻尼密封截面4处流线图对比Fig.18 Comparison of flow diagram at 4 parts of different pocket damping seal sections

从前文中可以看出，传统袋型阻尼密封与贯通挡板袋型阻尼密封的区别就在于传统袋型阻尼密封的无效腔室无周向挡板，而贯通挡板袋型阻尼密封的二次腔室设有周向挡板。因此为了比较二者差异，特取截面4处的流线图进行对比。如图18所示，贯通挡板袋型阻尼密封周向上的涡旋流动要强于传统袋型阻尼密封，传统袋型阻尼密封在周向上的流速要大于贯通挡板袋型阻尼密封，周向挡板有助于降低流体周向速度，可以抑制转子振动。同时贯通挡板袋型阻尼密封周向挡板数要大于传统袋型阻尼密封，使流体与壁面的接触与回流增加，因而流体动能降低泄漏量减少。

1.7 袋型阻尼密封与迷宫密封泄漏特性对比

袋型阻尼密封主要是为了弥补迷宫密封易导致转子失稳这一缺点而设计的，但是在具备良好的动力学特性之外，同样也需要具备防止气体泄漏的本领。本节将对比传统袋型阻尼密封与迷宫密封的泄漏特性。为了能够更好地说明结果，取半径与袋型阻尼密封相同的密封件，忽略转子涡动，计算其泄漏量。取计算域为整周模型，同样本次计算定常状态下的泄漏量。表5为整周流体域传统袋型阻尼密封泄漏量，表6为迷宫密封泄漏量，且两种密封件半径相等。

从表中可以看出两种密封件泄漏量都对压差较为敏感，而随转子转速变化泄漏量相差不大，因此为了能在图上更清楚的看到每条泄漏特性曲线，以转子转速为横坐标，泄漏量为纵坐标，比较相同压差下不同密封种类的泄漏量大小。为了能更清晰地对比袋型阻尼密封和迷宫密封的泄漏量，将相同压差的泄漏特性曲线线条设置为相同颜色。图19为两种密封件的泄漏量对比，相同工况下的迷宫密封泄漏量要大于袋型阻尼密封，且有明显差距。

表5 8齿传统袋型阻尼密封整周流体域泄漏量(kg/s)Tab.5 8-tooth traditional bag damping seal fluid leakage throughout the cycle(kg/s)

表6 迷宫密封整周流体域泄漏量(kg/s)Tab.6 Leakage in the fluid domain throughout the labyrinth seal(kg/s)

图19 不同种类袋型阻尼密封泄漏特性对比Fig.19 Comparison of leakage characteristics of different pocket damping seal

下面将换一种分析方法来解释上述两种不同密封件产生泄漏量差异的原因，从湍动能的角度来说明密封效果。不同的密封结构会导致流场内的旋涡变化从而产生能量耗散的差异。图20为袋型阻尼密封不同视角上的湍动能分析。从图中可得，轴向上的湍动能最大处出现在密封齿齿尖位置，而周向上则在挡板处出现最大湍动能。袋型阻尼密封由于在周向设置有挡板，流体高速运动时会受到挡板的阻碍作用，这相当于在周向增加节流齿，也就是增加节流效应。同时，挡板的存在使流场的回流增加，并且也增加了与壁面的接触面积，这相当于延长了密封件的有效长度，使流场的动能耗散的更多。而从图21 中可以看出，迷宫密封在周向无挡板，周向上动能无额外涡旋耗散，节流效应弱。因此，迷宫密封的泄漏特性要逊于袋型阻尼密封。