王 平 孫 丹 趙 歡 肖忠會(huì) 孟繼綱

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽(yáng) 110136； 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心 遼寧沈陽(yáng) 110142)

密封是透平機(jī)械的重要部件，其性能直接影響透平機(jī)械的工作效率[1-3]。隨著透平機(jī)械工作介質(zhì)參數(shù)不斷提高，迷宮密封在工作介質(zhì)參數(shù)較高時(shí)，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)[4-5]，VANCE和SHULTZ[6]提出了可減小周向流速增強(qiáng)穩(wěn)定性的袋型阻尼密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。CAMATTI等[7]在對(duì)某一離心壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在高壓比下，發(fā)散間隙蜂窩阻尼密封會(huì)產(chǎn)生負(fù)的直接剛度使此離心壓縮機(jī)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(duì)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(jié)構(gòu)示意

數(shù)值分析方面，LI等[8]研究了壓比與轉(zhuǎn)速對(duì)袋型阻尼密封直接剛度系數(shù)與直接阻尼系數(shù)的影響。RANSOM等[9]對(duì)比分析了在不同壓比與轉(zhuǎn)速下，袋型阻尼密封與迷宮密封的動(dòng)力特性系數(shù)。孫丹等人[10]應(yīng)用瞬態(tài)單頻方法研究了袋型阻尼密封在轉(zhuǎn)子橢圓渦動(dòng)軌跡下的徑向氣流力與切向氣流力。李志剛[11]應(yīng)用瞬態(tài)多頻方法研究得出當(dāng)密封齒數(shù)量與周向擋板數(shù)量為8時(shí)，袋型阻尼密封穩(wěn)定性最好。實(shí)驗(yàn)研究方面，VANCE和SHULTZ[6,12]采用沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)量了當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，在不同進(jìn)出口壓比下，袋型阻尼密封的有效阻尼系數(shù)。LI和VANCE[13]首次應(yīng)用沖擊錘和降速實(shí)驗(yàn)測(cè)量了考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)力特性系數(shù)。ERTAS等[14-15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)貫通型袋型阻尼密封具有更大的有效阻尼系數(shù)與正的直接剛度。VANNINI等[16]通過(guò)系統(tǒng)阻抗法測(cè)量得出了在高壓比下，渦動(dòng)頻率與正反預(yù)旋對(duì)袋型阻尼密封動(dòng)力特性的影響規(guī)律。現(xiàn)有對(duì)袋型阻尼密封動(dòng)力特性數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究多為等間隙袋型阻尼密封，未考慮錐形間隙對(duì)袋型阻尼密封動(dòng)力特性的影響，少有研究錐形間隙對(duì)袋型阻尼密封氣流力影響機(jī)制。

本文作者建立了錐形間隙袋型阻尼密封數(shù)值求解模型，研究進(jìn)出口壓比、偏心率、轉(zhuǎn)速及錐形度對(duì)袋型阻尼密封氣流力的影響；設(shè)計(jì)了密封氣流力實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析在不同進(jìn)出口壓比及偏心率下錐形間隙袋型阻尼密封氣流力的大??；通過(guò)密封壓力分布規(guī)律揭示錐形間隙對(duì)袋型阻尼密封氣流力的影響機(jī)制。

1 錐形間隙對(duì)袋型阻尼密封氣流力影響數(shù)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(shí)驗(yàn)件如圖2(a)(b)所示，錐形度T定義為

T=Cin/Cout

(1)

式中:Cin為進(jìn)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(fā)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(jié)構(gòu)參數(shù)并無(wú)差異。等間隙袋型阻尼密封結(jié)構(gòu)如圖3所示，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖3 等間隙袋型阻尼密封結(jié)構(gòu)

表1 錐形間隙袋型阻尼密封實(shí)驗(yàn)件幾何參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

文中采用六面體網(wǎng)格劃分，錐形間隙袋型阻尼密封網(wǎng)格劃分如圖4所示。對(duì)密封間隙與近壁面區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后確定錐形間隙袋型阻尼密封網(wǎng)格數(shù)為652萬(wàn)。

圖4 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件的設(shè)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(jìn)口處設(shè)置總壓、總溫，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，固定壁面為光滑、絕熱、無(wú)滑移邊界。

表2 邊界條件

2 錐形間隙對(duì)袋型阻尼密封氣流力影響實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖5所示為密封氣流力實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由袋型阻尼密封件、轉(zhuǎn)子、傳感器等組成。袋型阻尼密封實(shí)驗(yàn)件由結(jié)構(gòu)、大小相同的兩部分組成并通過(guò)法蘭盤連接，放置在水平的圓盤上。環(huán)形槽內(nèi)均布設(shè)有4根進(jìn)氣管和4個(gè)用于監(jiān)測(cè)其內(nèi)部壓力的壓力傳感器。4個(gè)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(jiān)測(cè)其徑向移動(dòng)。進(jìn)氣總路上安裝渦街流量計(jì)測(cè)量密封泄漏量。

圖5 密封氣流力實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于偏心位置時(shí)，由于流體動(dòng)壓效應(yīng)，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(zhuǎn)子同心方向的浮動(dòng)同心力。當(dāng)浮動(dòng)同心力大于滾珠與圓盤間的摩擦力時(shí)，袋型阻尼密封件將會(huì)向同心方向移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，偏心率減小，浮動(dòng)同心力降低，最終袋型阻尼密封件穩(wěn)定于平衡位置。浮動(dòng)同心力越大，袋型阻尼密封件到達(dá)平衡位置所用時(shí)間越短，并且最終的平衡位置更接近于同心。氣流對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的徑向氣流力與對(duì)浮動(dòng)密封環(huán)產(chǎn)生的浮動(dòng)同心力大小相等，方向相反。所以，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量袋型阻尼密封件偏心率的變化情況判斷浮動(dòng)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(shí)驗(yàn)方法

圖6所示為密封氣流力實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要使袋型阻尼密封件水平同心，然后通過(guò)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(dòng)并調(diào)節(jié)自由端方向上的兩根限位桿，給定袋型阻尼密封件預(yù)置偏心率。進(jìn)氣前解除限位，氣流沿進(jìn)氣管進(jìn)入環(huán)形槽內(nèi)再經(jīng)過(guò)環(huán)形導(dǎo)流板進(jìn)入間隙。使用YE6232B采集儀對(duì)位移、泄漏量和壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。通過(guò)袋型阻尼密封件偏心率的變化情況及向同心方向的移動(dòng)速度分析其徑向氣流力的大小。

圖6 密封氣流力實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

2.4 數(shù)值與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7(a)給出了當(dāng)偏心率為0.5，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，進(jìn)出口壓比對(duì)密封泄漏量的影響。當(dāng)進(jìn)出口壓比增大時(shí)，密封泄漏量增大；發(fā)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(dāng)進(jìn)出口壓比為3.4，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，偏心率對(duì)密封泄漏量的影響。當(dāng)偏心率增大時(shí)，密封泄漏量增加；等間隙袋型阻尼密封的泄漏量最小，發(fā)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(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大偏差為6.2%，驗(yàn)證了數(shù)值求解模型的準(zhǔn)確性。

圖7 密封泄漏量

收斂間隙與發(fā)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(kuò)大。當(dāng)平均徑向間隙相同時(shí)，收斂間隙袋型阻尼密封泄漏量小于發(fā)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(jié)流效果強(qiáng)，收斂間隙袋型阻尼密封出口間隙小，節(jié)流作用增強(qiáng)，使得其泄漏量減少。

圖8 密封軸向壓降曲線

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值結(jié)果分析

3.1.1 進(jìn)出口壓比對(duì)密封氣流力影響分析

圖9給出了當(dāng)偏心率為0.5，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，進(jìn)出口壓比對(duì)密封徑向氣流力的影響。隨著進(jìn)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(fā)散間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力絕對(duì)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(fā)散間隙袋型阻尼密封徑向氣流力方向相反；同一進(jìn)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(fā)散間隙袋型阻尼密封。進(jìn)出口壓比增大，密封楔形間隙產(chǎn)生的徑向壓差逐漸擴(kuò)大，從而密封徑向氣流力增大。

圖9 進(jìn)出口壓比對(duì)密封徑向氣流力的影響

3.1.2 偏心率對(duì)密封氣流力影響分析

圖10給出了當(dāng)進(jìn)出口壓比為3.4，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，偏心率對(duì)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(fā)散間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力的絕對(duì)值增大；當(dāng)偏心率相同時(shí)，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(fā)散間隙袋型阻尼密封。這是因?yàn)槠穆试龃螅芊庑ㄐ伍g隙內(nèi)的徑向壓差進(jìn)一步擴(kuò)大，密封徑向氣流力增大。

圖10 偏心率對(duì)密封徑向氣流力的影響

3.1.3 轉(zhuǎn)速對(duì)密封氣流力影響分析

圖11給出了當(dāng)進(jìn)出口壓比為3.4，偏心率為0.5時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)密封氣流力的影響，從圖11(a)中可以看出，轉(zhuǎn)速對(duì)錐形間隙袋型阻尼密封徑向氣流力影響較小，同一轉(zhuǎn)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(fā)散間隙袋型阻尼密封。從圖11(b)中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，密封切向氣流力為0；3種密封的切向氣流力均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大時(shí)，在轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)下密封間隙內(nèi)氣流流速加快，黏性力增大，從而氣流對(duì)轉(zhuǎn)子的切向氣流力增大。因此，密封間隙內(nèi)氣流的周向流動(dòng)是形成切向氣流力的主要原因，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，氣流周向流動(dòng)速度加快，密封切向氣流力增大。

圖11 轉(zhuǎn)速對(duì)密封氣流力的影響

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 進(jìn)出口壓比對(duì)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(dāng)偏心率為0.5，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，在不同進(jìn)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(jìn)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(dòng)；隨著進(jìn)出口壓比的增大，收斂間隙袋型阻尼密封向同心方向移動(dòng)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(jìn)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(dòng)。通過(guò)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(jìn)出口壓比的增大，徑向氣流力不斷增加，這與數(shù)值結(jié)果相一致。

圖12 進(jìn)出口壓比對(duì)密封自同心性能影響

3.2.2 偏心率對(duì)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(dāng)進(jìn)出口壓比為3.4，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，在不同預(yù)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(yù)置偏心率下，收斂間隙袋型阻尼密封均向同心方向移動(dòng)，并且隨著偏心率的增加，移動(dòng)到平衡位置所需時(shí)間縮短，從圖13(b)中可以看出，只有當(dāng)預(yù)置偏心率為0.9時(shí)，等間隙袋型阻尼密封向同心方向移動(dòng)。通過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果相一致。

圖13 偏心率對(duì)密封自同心性能影響

4 錐形間隙對(duì)袋型阻尼密封氣流力機(jī)制研究

圖14所示為當(dāng)進(jìn)出口壓比為3.4，偏心率為0.5，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，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(nèi)壓力相等，并且其周向壓力關(guān)于y軸即偏心方向?qū)ΨQ，所以只有指向軸心方向的徑向氣流力，沒(méi)有切向氣流力。因此可以分析得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，轉(zhuǎn)子只有徑向氣流力，無(wú)切向氣流力。

圖14 密封周向壓力分布

圖15所示為當(dāng)進(jìn)出口壓比為3.4，偏心率為0.5，轉(zhuǎn)速為0時(shí)，沿氣流流動(dòng)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(fā)散間隙袋型阻尼密封的徑向壓差為負(fù)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(fā)散間隙袋型阻尼密封的徑向氣流力為負(fù)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(zhuǎn)子軸，O3O4為密封軸，偏心率為e。在不同進(jìn)出口壓比、偏心率及轉(zhuǎn)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(fā)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(dòng)方向，密封徑向間隙不斷減小，進(jìn)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(chǎn)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(jié)論

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

(2)密封間隙內(nèi)氣流的周向流動(dòng)是形成密封切向氣流力的主要原因，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，密封切向氣流力為0，隨著轉(zhuǎn)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(dòng)方向，密封徑向間隙不斷減小，氣體在密封腔內(nèi)聚集使得腔內(nèi)壓力升高，徑向壓差增大，從而產(chǎn)生較大的徑向氣流力。