直通型迷宫密封动力学特性研究

本文利用Fluent软件数值仿真研究了不同工况(进口预旋、转速和压比)下，偏心率分别为5%和10%、转子涡动速度为10%~240%倍转速的涡动转子–密封流场，获得了作用在涡动转子上的径向气流力和切向气流力，进而分析该气流力对转子振动的影响。研究结果表明：进口预旋速度对密封径向气流力影响不大，而对密封切向气流力影响很大。高转速下密封切向气流力在转子高频涡动下会变为正值，促进转子涡动，可能引起转子失稳。压比越高，密封气流力越大。密封径向气流力随着转子偏心率的增大而增大，但增大速率逐渐减缓。

迷宫密封由于其良好的密封性能、结构简单以及性能安全可靠等优点，被广泛应用于各类透平机械中以减少动静部件之间的泄露。迷宫密封在减少流体从高压端向低压端泄漏的同时，也会产生作用于转子表面的气流激振力，在某些条件下引起转子的失稳，形成气流激振现象[1] [2]。

由于迷宫密封结构具有特殊性，在对其内部结构进行研究时，实验设备较为复杂并且有效数据较少[3]。近年来，随着计算机软件的高速发展，利用仿真软件数值模拟迷宫密封的内部流场及泄漏特性进行研究成为热点[4]。

Tong 等人[5]对直通式与台阶式密封进行对比， 分析不同参数下两种密封形式的性能差异。林丽[6]数值仿真分析了直通式迷宫密封的间隙宽度、齿型夹角以及空腔深宽等结构因素对迷宫密封性能的影响。黄建峰[7]以Fluent 软件的动网格数值模拟方法为理论依据，通过改变密封间隙、空腔深宽比、齿数、进出口压力比以及活塞往复速率进行数值模拟。G.A 等人[8]运用试验分析转子转速、压比对密封性能的影响。

焦圳等[9]采用CFD 方法对4 组不同的齿形结构进行数值模拟， 深入讨论了不同齿形对类迷宫密封的密封性能影响。

崔亚辉等[10]针对齿顶间隙为0.2 mm 的迷宫密封， 分别计算了−60˚、−45˚、0˚、45˚、60˚几种预旋工况下系统的动特性系数和泄漏量。陈尧兴等[11]采用CFD 数值方法研究了不同预旋比下密封腔室旋流强度、周向压力与转子动力特性的变化规律。

目前，学者对迷宫密封进行了一系列的研究，但在密封间隙气流力方面的研究较少。迷宫密封在减少动静部件的泄露中有着重要的作用，本文以直通型迷宫密封为例，主要研究作用于转子的密封间隙气流力随进出口压比、进口预旋速度以及转子转速等参数的变化规律，进而分析该气流力对转子振动的影响。以期为迷宫密封设计提供合理参考。

2. 数值计算方法 2.1. 控制方程 质量守恒方程： ()0jjutxρρ∂∂+=∂∂ (1) 动量守恒方程：