迷宫密封机理的研究现状及其展望

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京航空航天大学 作者:刘卫华

  分别从泄漏量的计算方法、密封性能的影响因素以及迷宫密封内部流场机理的研究等方面介绍了迷宫密封机理的研究现状,并分析了目前研究中存在的不足,简要地探讨了迷宫密封机理研究的发展方向。

1、迷宫密封的应用现状

  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。迷宫密封具有结构简单、使用方便、工作可靠等优点,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。迷宫密封的动力特性对转子系统的振动和稳定性有较大的影响,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这是引起自激振动的重要因素,也是大型透平机组发生失稳的一个重要原因。

  由于航空发动机的转子高速转动,为了减少泄漏损失,保持各腔室工作压力,保证发动机的正常运转,现行发动机典型地在关键部位均采用迷宫密封,例如高压压气机出口及涡轮导向器处。研究发动机中的迷宫密封的密封机理对充分利用高的涡轮进口温度和高压比的压气机,提高涡轮效率,减少燃油消耗量都有着重要的实用价值和意义。

  采用迷宫密封的往复活塞式压缩机能够完成洁净气体的压缩和输送,也可压缩或输送带有微小固体颗粒的气体,这种压缩机气缸与活塞密封机构之间无磨损,工作可靠,然而气体泄漏严重是其主要技术难题。迷宫式压缩机属于高技术产品,目前在世界上只有瑞士苏尔寿(SULZER)公司等极少数厂家生产。我国在开发迷宫式压缩机产品上,曾有过研究,但未能形成生产。目前国内石化工业所需的各种规格迷宫式压缩机全部依靠进口,其价格昂贵。

2、迷宫密封的研究现状

  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。对迷宫密封的早期研究主要采用的是热力学理论分析和实验方法。

  20世纪70年代后,计算流体力学的发展使得人们对迷宫密封进行了大量的数值研究,其数值计算的方法一般为有限差分法和有限元法。如:H. Sto ff采用了有限差分法首次数值计算了直通型迷宫密封中的不可压缩流场,D. L. Rhode与J. A. Demko等也对不可压缩的直通型迷宫密封进行了数值研究。Rhode和Sobo lik 则首次数值模拟了迷宫密封内的可压缩流场。国内鲁周勋等也采用有限差分法和SIMPLEC 算法求解了直通型密封的轴对称可压缩流场,得到了单腔室迷宫内流场的各流动参数。

  另外,计算流体力学软件的出现也进一步促进了数值研究的发展。例如,美国NASA 研究中心使用由NERC 公司开发的二维多重网格软件,对真实发动机中的迷宫密封进行了计算,并表示在以后的设计中将进一步扩大CFD 软件的应用来验证试验并进行设计工作; 还有诸如STAR -CD、SC ISEAL、CFX - TASC f low 3D、ANSYS /FLOTRAN、FLUENT等软件被用于对不同型式的迷宫密封进行研究。

2.1、泄漏量的计算方法方面

  有关迷宫密封泄漏量的计算主要是基于对流动过程的热力学分析、简化和假设,通过某些计算方法而得出计算泄漏量; 实际泄漏量则是通过/泄漏系数0修正计算泄漏量而得到的。目前,/泄漏系数0值一般都是由特定的实验测出或者采用经验数值。

  现有的迷宫密封泄漏量的计算方法很多,典型的有: M artine 计算方法、Stodala 计算方法、Eg li计算方法、Kearton 计算方法、Verms 计算方法等。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,然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。这种研究方法其实是一种不涉及迷宫密封内部流动规律的黑箱方法。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,其有关理论和技术的发展、新型密封结构的问世以及密封性能的改进和提高,都必须依赖于对迷宫密封内流动本质的深入理解,依赖于黑箱秘密的彻底揭开。

  正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。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. E I- 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。

2.2、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。

  S. W itting 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R e 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R e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N u 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N u 数低于转子的努谢尔数Nu 数。

  V. Schramm 等人提出采用一种将数值模拟与模拟退火算法相结合的方法来优化航空发动机中迷宫的密封结构,这种方法可以同时考虑多种因素的影响,为人们进一步研究迷宫密封的最佳结构提供了方向。

  黄守龙等应用了数值模拟和实验相结合的方法,研究了直通型迷宫密封的空腔倾向、空腔形状、空腔尺寸和介质流向对密封效率的影响。他指出: 随着迷宫结构出口进口压比的减小,泄漏量开始增加较快然后逐渐趋于一个定值; 其它结构参数都不变时,泄漏量随齿尖相对厚度的变化存在极小值,这一现象主要出现在厚齿情况下; 在一定范围内增加齿数可以降低泄漏量,但是超过某一齿数效果就不明显了,即在给定的结构总长度下,存在使泄漏量最小的最佳齿数(或空腔宽度); 其它结构参数都不变时,泄漏量随着间隙与空腔宽度比例的增加而增加; 过分加深空腔并不能提高迷宫的密封性,存在最佳的空腔深宽比使得泄漏量最小; 斜齿的封严效果优于直齿;齿尖朝向来流方向的密封效果优于背向来流方向的密封效果。

  王锁芳等人通过对不同齿型的封严篦齿的动进行数值模拟,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。

2.3、迷宫密封内部流场研究

  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。另外,他还在早期的文章中提出利用间隙处所发生的射流偏转可用来增大间隙而不提高泄漏量。黄守龙针对直通型迷宫密封空腔深宽比和倾

  向对密封效果的影响进行了实验,数值模拟了空腔内部流动结构随时间的演化细节,展示了迷宫内部流动结构的不稳定性及其对减小泄漏量的重要影响。从流动不稳定性角度进一步揭示了迷宫密封机理。研究指出: 迷宫内部流动具有总体结构基本稳定性和局部结构的不稳定性两种特征,流动的不稳定性构成了流动的周期性振荡,增加了能量耗散和流通阻力,对迷宫结构减少泄漏起到重要作用。

  刘有军采用模型实验和数值模拟的方法,对锯齿型径向迷宫密封的密封机理进行了研究,结果表明: 节流间隙中的射流偏转和流束收缩,可以有效地降低间隙的实际流通面积,提高密封性能; 他还通过对一种锯齿型迷宫密封的数值和试验研究,揭示了湍流惯性偏转和射流收缩在湍流增阻中的作用。

3、存在的问题

  ( 1)所提出的泄漏量经验关系式尚未能反映具体的流动特征机理,未能从迷宫密封流动特征机理入手去得出泄漏量计算式,即还没有提出计算迷宫密封泄漏量的切实有效的精确算法;

  ( 2)所采取的研究方法还局限在热力学理论或流体力学流动分析的单一方面上,虽然这有助于加深人们对迷宫密封机理的认识,但它并不能完全解析迷宫通道的流动和换热机理;

  ( 3)目前所建立的计算模型还未反映出非稳定因素在齿与齿之间的流场耦合中所起的作用,还没有全面抓住迷宫密封在多数工况下所具有的多齿数、非稳定和临界的特点,这体现在建立的模型主要是针对单个齿腔、在计算中没有考虑非稳定因素的影响等方面。

4、研究方向

  ( 1)探讨多齿数、非稳定、临界状态下迷宫密封流场的高精度计算方法,主要解决高速可压缩流场中流动参数剧烈变化的有效捕捉和数值计算的精确与稳定等关键问题。

  ( 2)建立多齿数、非稳定、临界状态下轴向(或径向)迷宫密封流场的计算流体力学模型,进行数值模拟,分析对整个密封性能起关键作用的流体特征(如涡运动、分离泡形成与发展、射流弯曲与冲击等) ,进而揭示迷宫密封内气体流动特性与泄漏特性之间的内在联系,并分析总体结构型式、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等不同因素对密封性能的影响,从而实现对上述影响因素的合理设计。

  ( 3)建立多齿数轴向迷宫密封实验台,进行流动显示,并测量出工作状态下各密封腔内的温度分布和压力分布及实际泄漏量,验证和修正理论计算模型。

  ( 4)提出多齿数、非稳定、临界状态下迷宫计算密封泄漏量的简单而又精确的计算方法或关系式。它将流体力学中流场数值模拟方法和热力学中热力过程分析方法相结合,得到密封泄漏系数和迷宫密封内流动过程的多变过程指数,从而用于密封泄漏量的简便、实用和精确计算,这与以往的仅从热力学理论或流体流动分析单方面进行研究相比,更能从物理本质上体现迷宫密封的泄漏特性。

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