孫 丹，丁俊杰，邵增德，惠中豪，韓 笑

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136)

迷宮密封作為一種非接觸式密封，由于其結構簡單，工作狀態(tài)穩(wěn)定而廣泛應用在航空發(fā)動機、汽輪機、空氣壓縮機等旋轉機械上，起著節(jié)流降耗的作用。隨著透平機械向高參數方向發(fā)展，密封的泄漏特性直接影響了旋轉機械的工作效率。而傳統的迷宮密封泄漏量較大，密封性能較差，使得透平機械效率損失大,燃油油耗高。因此，如何對現有的迷宮密封結構進行改進，降低其泄漏量，提高發(fā)動機工作效率，成為人們亟待解決的問題。

目前，國內外專家已經提出了很多種不同的迷宮密封改進方案，有一些已經投入了使用，如高低齒迷宮密封[2]、臺階齒迷宮密封[3]、直通式迷宮密封[4]、負錯位迷宮密封[5]等。與此同時，有很多專家針對不同結構的迷宮密封做了泄漏特性的研究。華中科技大學的金秋穎[6]研究了迷宮密封斜齒角度和三角齒型對迷宮密封流場和泄漏量的影響，得出了密封齒傾斜的最佳角度；馮全科[7]等對往復式壓縮機中的密封進行了試驗，得到了密封間隙、轉子偏心、迷宮槽齒數等因素對該類迷宮密封泄漏量的影響規(guī)律；王建中和黃守龍[8-9]通過靜態(tài)試驗分析了直通式迷宮密封的靜態(tài)工作特性，分析了齒厚、齒數、空腔深寬比、空腔傾向對泄漏量的影響；南京航天航空大學設計了密封泄漏性試驗臺，研究了迷宮密封機構尺寸、轉速及壓比等參數的影響規(guī)律[10]；Eser和Kazakia[11]應用CFD軟件Fluent計算了密封間隙內的流場，主要討論了確定密封腔和齒的幾何尺寸的確定問題；Moore[12]用三維CFD方法分析了汽封的動力系數，得到了直通型迷宮密封間隙流體詳細的流場分布； Sankaranaryanasamy[13]等定義了液體密封中的一個半經驗模型，用神經網絡技術進行數據識別，對密封腔尺寸進行優(yōu)化；國外學者Vermes[14]選用Martin公式模型，利用射流邊界層理論推導了透氣效應修正系數，推導了迷宮密封泄漏量的計算公式，用以改進迷宮密封結構。以上文獻對迷宮密封的改進研究大都局限于靜子密封套上，而鮮有關于通過改進轉子的結構來降低密封泄漏量的文章發(fā)表。

鑒于此，本文借鑒葉柵吹風效應，提出了一種新型轉子含葉柵的迷宮密封結構，其與傳統迷宮密封的不同在于轉子上安裝了若干排葉柵。利用CFD建立傳統密封和新型密封的求解模型，研究了在不同轉子轉動情況、不同轉速和不同壓比下傳統密封與新型密封的泄漏流動特性，揭示了新型密封的封嚴機理。

1 新型迷宮密封設計思路引出

1.1 新型迷宮密封結構

迷宮密封作為非接觸式密封，由于具有透氣效應，密封泄漏量較大。鑒于此，本文提出了一種新型轉子含葉柵的迷宮密封，其結構示意圖如圖1所示。新型迷宮密封包括：密封套、密封體和轉子，密封體呈環(huán)形，固定于密封套的內側，密封體的內側沿其周向設置有密封齒，密封齒之間形成密封腔，轉子設置于密封體的內側，轉子外表面沿其周向與軸向在密封腔中安裝有多組葉柵，葉柵與轉子軸線的夾角為-30°～30°。

圖1 新型密封結構

1.2 新型迷宮密封工作原理

新型迷宮密封的轉子上安裝有葉柵，這樣當在轉子旋轉的過程中，葉柵會隨著轉子在密封腔中轉動。當葉柵旋轉時，葉柵會以斜切的方式擠壓一側空氣，從而產生一個低壓區(qū)和一個高壓區(qū)，產生吹風效應，形成一股氣流，其工作原理如圖2所示。在確定了泄漏氣體的流動方向后，通過調節(jié)葉柵的角度，能夠使這股氣流的方向與泄漏氣體方向相反，當兩股氣流在密封齒腔內相遇時，會產生大量的漩渦，進而耗散掉泄漏氣體的動能，增加泄漏氣體的沿程阻力，從而達到減少泄漏量的目的。

圖2 新型迷宮密封工作原理

2 新型迷宮密封數值求解模型

2.1 求解模型

為了驗證本文求解模型的準確性，并分析比較傳統密封與新型密封流場特性和泄漏量特性的差異，本文采用文獻[15]的傳統密封求解模型。該應用CFD軟件Tascflow對傳統密封流場特性進行了數值求解，傳統密封模型的結構和幾何參數如圖3所示。該文傳統密封模型的靜子帶有5個錐形直齒，轉子光滑，沿軸向周期分布。

圖3 傳統迷宮密封求解模型結構及尺寸

由于傳統迷宮密封具有周期對稱性,新型迷宮密封模型在傳統迷宮密封模型的基礎上采用周期建模的方法，選取了一個包含葉柵最小的單元體，即角度為5°的一段扇形求解模型，同時葉柵的角度選取300，保留了其中5個直齒，并在2個直齒之間的齒腔內和進出口的轉子表面沿軸向方向增加了一個葉柵，新型迷宮密封結構如圖4所示。由于研究的新型迷宮密封模型是一個5°的扇形段，所以該模型泄漏量的計算結果需要乘以72才得到整周密封圈的泄漏量。

2.2 求解模型網格劃分

傳統密封模型的網格劃分區(qū)域及網格切面圖如圖5所示。對于傳統迷宮密封，由于密封齒處流動狀況較其它部分復雜，所以把網格模型劃分為①、②、③這3個區(qū)域。為了細化流動特性變化較大的近壁面區(qū)域，相鄰兩節(jié)點間 距比為1.1，增加在近壁面處網格密度。為了得到合適的網格密度，本文首先分析了網格密度對密封泄漏量的影響，當計算密封泄漏量及密封氣流力隨網格密度變化率小于5%，并考慮計算機能力和計算時間等因素，本文網格密度n1、n2、n3、n4、n5分別為：15、25、50、10、120。

新型密封模型的網格劃分區(qū)域及網格切面圖如圖6所示。對于新型迷宮密封，由于齒腔內的葉柵為不規(guī)則模型，為建立質量高的網格模型，本文在傳統迷宮密封模型的基礎上，將包含葉片的不規(guī)則密封齒腔與其他規(guī)則部分切割開，單獨采用四面體網格劃分，其余部分采用六面體網格劃分。

圖4 新型迷宮密封求解模型結構及尺寸

圖5 傳統模型網格劃分

圖6 新型模型網格劃分

由于新型迷宮密封建立的求解模型使用的是周期性建模，模型是包含葉柵最小單元體的扇形段，不是完整的密封圈，所以需要定義流體域。本文引入了Interface接觸面單元邊界條件技術，如圖7所示，在扇形面兩側采用Interface接觸面單元邊界條件，將流體域定義在扇形段內，可方便建立該新型密封的三維網格模型。

圖7 新型迷宮密封Interface 接觸面邊界設置

經檢查，網格的平均扭曲度為0.18，平均網格單元質量為0.83，滿足計算要求。考慮到計算精度和計算時間等因素，對求解模型進行網格無關性驗證后，最終確定傳統迷宮密封求解模型的網格數為290萬，新型迷宮密封求解模型的網格數為110萬。

2.3 邊界條件與數值研究方法

本文應用CFD軟件Fluent求解k-ε湍流模型，應用有限體積法離散控制方程，Simple方法求解。壓力離散采用Presto格式，動量方程離散采用二階迎風格式，湍流能和耗散率采用一階迎風格式。固體壁面為光滑絕熱邊界，近壁面由改進壁面函數法處理。方程殘差達到 10-6數量級，進出口流量差小于 0.1%時，認為計算收斂。模型工況參數采用文獻[15]中工況參數，如表1所示。

表1 迷宮密封模型工況參數

2.4 模型準確性驗證

表2給出了本文計算的傳統密封與新型密封泄漏量與文獻[15]的對比。由表2中數據可以看出，文獻[15]Tascflow 軟件求解模型的泄漏量為1.08 kg/s，本文 Fluent 軟件求解模型泄漏量為1.09 kg/s，相對偏差為0.93%，說明計算結果相吻合，驗證了本文CFD 密封求解模型的準確性。而對于新型迷宮密封模型，其泄漏量為0.87 kg/s，下降了19.4%，這是因為新型迷宮密封轉子上含有葉柵，使得當轉子轉動時，葉柵跟隨轉子在密封腔內轉動。這會在葉柵上形成與泄漏氣體流向相反的高壓，產生了吹風效應，增加了氣體泄漏的沿程阻力，從而降低了氣體的泄漏量。

表2 本文模型準確性驗證

3 計算結果與分析

3.1 流場特性分析

3.1.1 壓力特性分析

圖8分別是傳統密封與新型密封的密封齒腔內壓力分布圖。從圖8中可以看到，傳統迷宮的壓降主要存在齒間縫隙處，這是因為在齒尖間隙處產生了節(jié)流作用，導致泄漏氣體速度增加，壓力減少。最大壓降存在于第一級和最后一級密封齒上，下降了0.6 MPa，中間的密封齒上下降了0.4 MPa。新型迷宮密封密封齒上的壓降情況與傳統迷宮密封相同，但由于新型密封轉子上含有葉柵，導致密封腔內的壓力分布與傳統迷宮密封不同。新型迷宮密封在轉子轉動時，由于葉柵切割空氣，在密封腔上形成了與泄漏氣體流動方向相反的高壓區(qū)，每一個葉柵上壓差為0.3～0.5 MPa,這增加了泄漏氣體的沿程阻力，減少了氣體的泄漏量。

圖8 傳統密封與新型密封軸向壓力分布比較

3.1.2 速度特性分析

圖9分別是傳統密封與新型密封的密封齒腔內速度分布圖。從圖9中可以看出傳統迷宮密封泄漏氣體的流速隨著經過齒數的增加而增加，這是因為轉子前后斷面存在壓差，使得泄漏氣體速度持續(xù)增加，最大速度在出口處，達到了276m/s。新型迷宮密封沒有葉柵的兩側泄漏氣體流動情況與傳統迷宮密封相同。而包含葉柵的部分由于葉柵的阻擋和轉動時產生的與泄漏氣體流動方向相反的高壓區(qū)，阻礙了泄漏氣體的流動，導致泄漏氣體的速度下降，使得出口速度下降至234 m/s，從而降低了氣體的泄漏量。

3.2 泄漏特性影響因素分析

3.2.1 轉子正反轉對泄漏特性影響分析

圖10給出了傳統密封與新型密封在轉子正轉、反轉和不轉情況下的泄漏量變化。從圖10中可以看出對于傳統密封，在轉子的轉動方向改變時，其泄漏量保持在1.08 kg/s左右，說明轉子的轉動情況對傳統密封的泄漏量沒有影響。而對于新型密封結構，在轉子正轉時泄漏量最小，為0.87 kg/s；在轉子反轉時泄漏量最大，為0.99 kg/s。這是因為新型迷宮的轉子上含有葉柵，所以在轉子轉向不同時，葉柵上形成吹風效應的風向也同樣不同。當風向與泄漏氣體流向相反時，會阻礙氣體的泄漏；當風向與泄漏氣體流向相同時，會加強氣體的泄漏，并且葉柵形成的吹風效應阻礙氣體泄漏與加強氣體泄漏的能力相同；在轉子不轉動時，新型迷宮密封相較于傳統迷宮密封泄漏量也有所降低，這是因為葉柵本身也存在阻止氣體流動的作用，從而減少了氣體的泄漏。

圖9 傳統密封與新型密封軸向速度分布比

圖10 轉子正反轉對泄漏量的影響

3.2.2 轉速對泄漏特性的影響分析

圖11給出了5種不同轉速下傳統密封與新型密封的泄漏量。從圖11中可以看出，在低轉速時，傳統迷宮密封的泄漏量在1.08 kg/s左右，幾乎沒有變化；在高轉速時，泄漏量下降了5%,說明轉速對傳統的迷宮密封氣體泄漏量影響很??；而對于新型迷宮密封，隨著轉子轉速的提高，氣體的泄漏量近似直線下降，增幅達到了10%。這是因為隨著轉速的增加，轉子上的葉柵所形成的吹風效應增強，加大了泄漏氣體的沿程阻力，從而減少了氣體的泄漏量。

圖11 泄漏量隨轉速變化曲線

3.2.3 壓比對泄漏特性的影響分析

圖12給出了不同進出口壓比下傳統密封與新型密封的泄漏量。從圖12中可以看出，隨著進出口壓比的增加，兩種迷宮密封形式的泄漏量都有所增加，而且增加的幅度基本相同，都在45%左右。說明新型密封降低泄漏量的數值不隨壓比而變化，即當轉子轉動速度不變時，新型迷宮密封由于轉子轉動而形成吹風效應的強度不變，降低氣體泄漏的數值不變。

圖12 泄漏量隨壓比變化曲線

圖13給出了不同進出口壓比下新型迷宮密封的封嚴效果。圖12中在不同進出口壓比下新型迷宮密封相對傳統迷宮密封下降的泄漏量數值分別為0.219、0.236、0.227、0.231；不同壓比下傳統迷宮密封總泄漏量分別為1.081、1.621、2.247、2.854。將新型迷宮密封的泄漏量下降數值比上傳統迷宮密封泄漏量總數值即可得到新型迷宮密封封嚴效果?？梢钥吹诫S著進出口壓力的增大，新型密封封嚴效果逐漸變差。這是因為當轉子轉動速度不變時，新型迷宮密封由于轉子轉動而形成吹風效應的強度不變，降低氣體泄漏的數值不變，但下降的百分比減少，從19.4%下降到14.7%。因為隨著進出口壓比的增加，泄漏氣體量逐漸變大，導致新型迷宮密封降低氣體泄漏的數值占氣體泄漏總數值的百分比下降，使封嚴效果降低。說明該新型迷宮密封在低泄漏的情況下效果更好。

圖13 新型密封封嚴效果

4 結論

本文借鑒葉片吹風效應提出了一種轉子帶葉柵的新型迷宮密封結構，應用 CFD 技術建立該新型密封流場特性求解模型，并與傳統迷宮密封求解模型相對比，得到以下結論：

(1)與傳統迷宮密封相比，新型迷宮密封由于轉子上含葉柵，能夠在轉子轉動時產生吹風效應，有效得降低了密封泄漏量，泄漏量降低百分比達到了19.4%；

(2)對于新型迷宮密封，由于轉子上的葉柵固定，所以在轉子轉向不同時，所形成的吹風效應會產生不同的結果，即當方向與氣體泄漏方向相同時增加泄漏；當方向與氣體泄漏方向相反時減少泄漏。在轉子不轉動時，新型迷宮密封相較于傳統迷宮密封泄漏量也有所降低，這是因為葉柵本身也存在阻止氣體流動的作用，從而減少了氣體的泄漏；

(3)相比于傳統迷宮密封，轉速對新型迷宮密封泄漏量的影響更大。這是因為新型迷宮密封轉子上含有葉柵，所以當轉速增加時，其上形成的吹風效應越強，阻止氣體泄漏的能力越好；

(4)對于新型迷宮密封，其氣體的泄漏量隨著壓比的增加而增大，但由于轉速不變，所以其阻止氣體泄漏量的數值不變，說明該新型迷宮密封低泄漏的情況下效果更好。