迷宮密封機理的研究現狀及其展望

　　分別從泄漏量的計算方法、密封性能的影響因素以及迷宮密封內部流場(chǎng)機理的研究等方面介紹了迷宮密封機理的研究現狀，并分析了目前研究中存在的不足，簡(jiǎn)要地探討了迷宮密封機理研究的發(fā)展方向。

1、迷宮密封的應用現狀

　　迷宮密封是依靠節流間隙中的節流過(guò)程(壓力能轉化為動(dòng)能)和密封空腔中的動(dòng)能耗散過(guò)程(動(dòng)能轉化為熱能)實(shí)現密封。迷宮密封具有結構簡(jiǎn)單、使用方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機、壓縮機、透平膨脹機、汽輪機、水輪機、離心式低溫泵等機械中，迷宮密封是透平機械中常用的密封元件。迷宮密封的動(dòng)力特性對轉子系統的振動(dòng)和穩定性有較大的影響，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這是引起自激振動(dòng)的重要因素，也是大型透平機組發(fā)生失穩的一個(gè)重要原因。

　　由于航空發(fā)動(dòng)機的轉子高速轉動(dòng)，為了減少泄漏損失，保持各腔室工作壓力，保證發(fā)動(dòng)機的正常運轉，現行發(fā)動(dòng)機典型地在關(guān)鍵部位均采用迷宮密封，例如高壓壓氣機出口及渦輪導向器處。研究發(fā)動(dòng)機中的迷宮密封的密封機理對充分利用高的渦輪進(jìn)口溫度和高壓比的壓氣機，提高渦輪效率，減少燃油消耗量都有著(zhù)重要的實(shí)用價(jià)值和意義。

　　采用迷宮密封的往復活塞式壓縮機能夠完成潔凈氣體的壓縮和輸送，也可壓縮或輸送帶有微小固體顆粒的氣體，這種壓縮機氣缸與活塞密封機構之間無(wú)磨損，工作可靠，然而氣體泄漏嚴重是其主要技術(shù)難題。迷宮式壓縮機屬于高技術(shù)產(chǎn)品，目前在世界上只有瑞士蘇爾壽(SULZER)公司等極少數廠(chǎng)家生產(chǎn)。我國在開(kāi)發(fā)迷宮式壓縮機產(chǎn)品上，曾有過(guò)研究，但未能形成生產(chǎn)。目前國內石化工業(yè)所需的各種規格迷宮式壓縮機全部依靠進(jìn)口，其價(jià)格昂貴。

2、迷宮密封的研究現狀

　　近一個(gè)世紀以來(lái)，各國學(xué)者對迷宮密封做了廣泛而深入的研究，取得了大量有意義的成果。但其工作主要集中在迷宮密封泄漏量的計算及密封性能影響因素的分析上。所用的方法主要有熱力學(xué)分析的方法、計算流體力學(xué)數值分析方法以及泄漏量測量和流動(dòng)顯示等實(shí)驗研究方法。對迷宮密封的早期研究主要采用的是熱力學(xué)理論分析和實(shí)驗方法。

　　20世紀70年代后，計算流體力學(xué)的發(fā)展使得人們對迷宮密封進(jìn)行了大量的數值研究，其數值計算的方法一般為有限差分法和有限元法。如:H. Sto ff采用了有限差分法首次數值計算了直通型迷宮密封中的不可壓縮流場(chǎng)，D. L. Rhode與J. A. Demko等也對不可壓縮的直通型迷宮密封進(jìn)行了數值研究。Rhode和Sobo lik 則首次數值模擬了迷宮密封內的可壓縮流場(chǎng)。國內魯周勛等也采用有限差分法和SIMPLEC 算法求解了直通型密封的軸對稱(chēng)可壓縮流場(chǎng)，得到了單腔室迷宮內流場(chǎng)的各流動(dòng)參數。

　　另外，計算流體力學(xué)軟件的出現也進(jìn)一步促進(jìn)了數值研究的發(fā)展。例如，美國NASA 研究中心使用由NERC 公司開(kāi)發(fā)的二維多重網(wǎng)格軟件,對真實(shí)發(fā)動(dòng)機中的迷宮密封進(jìn)行了計算，并表示在以后的設計中將進(jìn)一步擴大CFD 軟件的應用來(lái)驗證試驗并進(jìn)行設計工作; 還有諸如STAR -CD、SC ISEAL、CFX - TASC f low 3D、ANSYS /FLOTRAN、FLUENT等軟件被用于對不同型式的迷宮密封進(jìn)行研究。

2.1、泄漏量的計算方法方面

　　有關(guān)迷宮密封泄漏量的計算主要是基于對流動(dòng)過(guò)程的熱力學(xué)分析、簡(jiǎn)化和假設，通過(guò)某些計算方法而得出計算泄漏量; 實(shí)際泄漏量則是通過(guò)/泄漏系數0修正計算泄漏量而得到的。目前，/泄漏系數0值一般都是由特定的實(shí)驗測出或者采用經(jīng)驗數值。

　　現有的迷宮密封泄漏量的計算方法很多，典型的有: M artine 計算方法、Stodala 計算方法、Eg li計算方法、Kearton 計算方法、Verms 計算方法等。在這些計算方法中，都是采用首先由熱力學(xué)的一些理想過(guò)程模型推導出的計算關(guān)系式,然后再用由實(shí)驗或經(jīng)驗數據得到的流量系數進(jìn)行修正而得出泄漏量的值。這種研究方法其實(shí)是一種不涉及迷宮密封內部流動(dòng)規律的黑箱方法。實(shí)際上，迷宮密封的宏觀(guān)密封性能，只是其內部流動(dòng)和換熱本質(zhì)的具體表現而已，因此，求解迷宮密封內部的流動(dòng)過(guò)程，是研究迷宮密封的根本出發(fā)點(diǎn),其有關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展、新型密封結構的問(wèn)世以及密封性能的改進(jìn)和提高，都必須依賴(lài)于對迷宮密封內流動(dòng)本質(zhì)的深入理解，依賴(lài)于黑箱秘密的徹底揭開(kāi)。

　　正因為熱力學(xué)方法計算泄漏量有一定的缺陷，一些文獻采用了數值方法來(lái)預報密封的泄漏特性，這方面以D. L. Rhode為代表的美國研究人員做了大量的工作。例如，他通過(guò)數值計算的方法得到了不同結構迷宮密封的密封特性，即密封壓差隨結構參數的變化情況，從中確定出一種最優(yōu)結構。H. A. E I- Gamal等人研究了不可壓縮流動(dòng)在靜止和旋轉情況下不同結構迷宮的密封性能并指出: 不同迷宮結構的密封性能隨空腔寬度與齒高的比率的增大而提高，但是隨著(zhù)比率的增加，存在著(zhù)性能好壞的差異，而且軸旋轉與否對不同結構迷宮密封性能的影響不同。劉有軍等也采用有限元數值預報了徑向迷宮密封的泄漏特性。他研究了一種通過(guò)單腔室迷宮密封可壓縮流動(dòng)的數值計算結果得到整體迷宮密封的泄漏特性的方法。

2.2、密封性能的影響因素

　　在迷宮密封性能影響因素的研究方面，由于影響因素很多，如總體結構型式、節流間隙形狀、間隙尺寸、渦流空腔形狀、空腔尺寸、密封齒數、密封齒傾斜角度大小、介質(zhì)流向、溫度和壓力條件、介質(zhì)特性、偏心度、徑向密封時(shí)機械的旋轉速度、軸向密封時(shí)軸的運動(dòng)速度和運動(dòng)頻率等等，目前都是采用數值研究與實(shí)驗研究相結合的方法。

　　D. L. Rhode等以航天主發(fā)動(dòng)機為背景所開(kāi)展的系列研究，詳細地探討了結構尺寸變化對不同形式迷宮密封性能的影響，大大加深了人們對迷宮通道內部流動(dòng)的穩態(tài)特性的認識。研究表明，薄齒情況下，泄漏量受齒厚影響很小; 在小間隙寬度情況下，間隙效應對泄漏量的影響較大;密封齒被磨損后會(huì )增加迷宮密封的泄漏量，關(guān)于這一方面的研究以前幾乎沒(méi)有。

　　S. W itting 等主要采用試驗的方法研究了公差比例效應等因素對迷宮密封性能的影響，研究發(fā)現，雷諾數R e 和馬赫數Ma 與相應的結構尺寸變化一樣，對迷宮密封的性能起重要影響。主要表現在: 隨著(zhù)結構尺寸比例的增大，迷宮密封的泄漏量增加; 隨著(zhù)雷諾數R e和馬赫數Ma的增大,迷宮密封的泄漏量增加。另外，他還通過(guò)數值計算和實(shí)驗研究相結合的方法，重點(diǎn)研究了階梯型迷宮密封的傳熱特性。結果表明，迷宮密封結構的變化對于換熱特性有較大的影響，在小間隙寬度時(shí)，定子的努謝爾數N u 高于轉子的努謝爾數Nu，而在大間隙寬度情況下則相反，即定子的努謝爾數N u 數低于轉子的努謝爾數Nu 數。

　　V. Schramm 等人提出采用一種將數值模擬與模擬退火算法相結合的方法來(lái)優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機中迷宮的密封結構，這種方法可以同時(shí)考慮多種因素的影響，為人們進(jìn)一步研究迷宮密封的最佳結構提供了方向。

　　黃守龍等應用了數值模擬和實(shí)驗相結合的方法，研究了直通型迷宮密封的空腔傾向、空腔形狀、空腔尺寸和介質(zhì)流向對密封效率的影響。他指出: 隨著(zhù)迷宮結構出口進(jìn)口壓比的減小，泄漏量開(kāi)始增加較快然后逐漸趨于一個(gè)定值; 其它結構參數都不變時(shí)，泄漏量隨齒尖相對厚度的變化存在極小值，這一現象主要出現在厚齒情況下; 在一定范圍內增加齒數可以降低泄漏量,但是超過(guò)某一齒數效果就不明顯了，即在給定的結構總長(cháng)度下，存在使泄漏量最小的最佳齒數(或空腔寬度); 其它結構參數都不變時(shí)，泄漏量隨著(zhù)間隙與空腔寬度比例的增加而增加; 過(guò)分加深空腔并不能提高迷宮的密封性，存在最佳的空腔深寬比使得泄漏量最小; 斜齒的封嚴效果優(yōu)于直齒;齒尖朝向來(lái)流方向的密封效果優(yōu)于背向來(lái)流方向的密封效果。

　　王鎖芳等人通過(guò)對不同齒型的封嚴篦齒的動(dòng)進(jìn)行數值模擬，系統分析了齒型結構的微小變化對封嚴效果的影響。研究結果表明: 齒腔大小和齒腔形狀是決定篦齒封嚴效果的重要因素,并指出等腰梯形齒的密封特性?xún)?yōu)于其它齒型。他還通過(guò)數值計算和實(shí)驗相結合的方法研究了轉速對密封性能的影響，研究表明，在低轉速情況下,轉速對密封性能的影響很小。

2.3、迷宮密封內部流場(chǎng)研究

　　在探索迷宮密封的機理上，各國的學(xué)者不遺余力，或采用數值研究，或運用流動(dòng)顯示試驗。D.L. Rhode等人在發(fā)表的大部分文章中數值計算了迷宮流場(chǎng)中各種物理量的分布情況 ，詳細闡明了流動(dòng)過(guò)程中的湍流流動(dòng)機理。

　　D. L. Rhode等采用流動(dòng)顯示試驗測量了階梯形迷宮密封空腔內的流體振蕩和流動(dòng)不穩定性，發(fā)現對空腔內的直流射流存在著(zhù)流動(dòng)不穩定性，包括一個(gè)分叉的流線(xiàn)譜; 他還通過(guò)試驗，初步了解了迷宮通道內連同自激振蕩一起發(fā)生的流動(dòng)不穩定性現象。另外，他還在早期的文章中提出利用間隙處所發(fā)生的射流偏轉可用來(lái)增大間隙而不提高泄漏量。黃守龍針對直通型迷宮密封空腔深寬比和傾

　　向對密封效果的影響進(jìn)行了實(shí)驗，數值模擬了空腔內部流動(dòng)結構隨時(shí)間的演化細節，展示了迷宮內部流動(dòng)結構的不穩定性及其對減小泄漏量的重要影響。從流動(dòng)不穩定性角度進(jìn)一步揭示了迷宮密封機理。研究指出: 迷宮內部流動(dòng)具有總體結構基本穩定性和局部結構的不穩定性?xún)煞N特征，流動(dòng)的不穩定性構成了流動(dòng)的周期性振蕩，增加了能量耗散和流通阻力，對迷宮結構減少泄漏起到重要作用。

　　劉有軍采用模型實(shí)驗和數值模擬的方法，對鋸齒型徑向迷宮密封的密封機理進(jìn)行了研究，結果表明: 節流間隙中的射流偏轉和流束收縮，可以有效地降低間隙的實(shí)際流通面積，提高密封性能; 他還通過(guò)對一種鋸齒型迷宮密封的數值和試驗研究，揭示了湍流慣性偏轉和射流收縮在湍流增阻中的作用。

3、存在的問(wèn)題

　　( 1)所提出的泄漏量經(jīng)驗關(guān)系式尚未能反映具體的流動(dòng)特征機理，未能從迷宮密封流動(dòng)特征機理入手去得出泄漏量計算式，即還沒(méi)有提出計算迷宮密封泄漏量的切實(shí)有效的精確算法;

　　( 2)所采取的研究方法還局限在熱力學(xué)理論或流體力學(xué)流動(dòng)分析的單一方面上，雖然這有助于加深人們對迷宮密封機理的認識，但它并不能完全解析迷宮通道的流動(dòng)和換熱機理;

　　( 3)目前所建立的計算模型還未反映出非穩定因素在齒與齒之間的流場(chǎng)耦合中所起的作用,還沒(méi)有全面抓住迷宮密封在多數工況下所具有的多齒數、非穩定和臨界的特點(diǎn)，這體現在建立的模型主要是針對單個(gè)齒腔、在計算中沒(méi)有考慮非穩定因素的影響等方面。

4、研究方向

　　( 1)探討多齒數、非穩定、臨界狀態(tài)下迷宮密封流場(chǎng)的高精度計算方法，主要解決高速可壓縮流場(chǎng)中流動(dòng)參數劇烈變化的有效捕捉和數值計算的精確與穩定等關(guān)鍵問(wèn)題。

　　( 2)建立多齒數、非穩定、臨界狀態(tài)下軸向(或徑向)迷宮密封流場(chǎng)的計算流體力學(xué)模型，進(jìn)行數值模擬，分析對整個(gè)密封性能起關(guān)鍵作用的流體特征(如渦運動(dòng)、分離泡形成與發(fā)展、射流彎曲與沖擊等) ，進(jìn)而揭示迷宮密封內氣體流動(dòng)特性與泄漏特性之間的內在聯(lián)系，并分析總體結構型式、節流間隙形狀、間隙尺寸、渦流空腔形狀、空腔尺寸、密封齒數、密封齒傾斜角度大小等不同因素對密封性能的影響，從而實(shí)現對上述影響因素的合理設計。

　　( 3)建立多齒數軸向迷宮密封實(shí)驗臺，進(jìn)行流動(dòng)顯示，并測量出工作狀態(tài)下各密封腔內的溫度分布和壓力分布及實(shí)際泄漏量，驗證和修正理論計算模型。

　　( 4)提出多齒數、非穩定、臨界狀態(tài)下迷宮計算密封泄漏量的簡(jiǎn)單而又精確的計算方法或關(guān)系式。它將流體力學(xué)中流場(chǎng)數值模擬方法和熱力學(xué)中熱力過(guò)程分析方法相結合，得到密封泄漏系數和迷宮密封內流動(dòng)過(guò)程的多變過(guò)程指數，從而用于密封泄漏量的簡(jiǎn)便、實(shí)用和精確計算，這與以往的僅從熱力學(xué)理論或流體流動(dòng)分析單方面進(jìn)行研究相比，更能從物理本質(zhì)上體現迷宮密封的泄漏特性。