进口预旋对高压迷宫密封流体激振转子动力特性的影响

２０１７年１１月　

第４２卷第ｌ１期　润滑与密封　

ＬＵＢＲＩＣ：ＡＴＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＮＯＶ．２０１７　

Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．１１　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１７．１１．００１　

进口预旋对高压迷宫密封流体激振转子动力特性的影响　

陈尧兴　李志刚　

（１．西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安７１００４９；　李军　

２．先进航空发动机协同创新中心北京１００１９１）　

摘要：采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常Ｒｅｙｎｏｌｄｓ．Ａｖｅｒａｇｅｄ　Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ（ＲＡＮＳ）方程，　

研究进口预旋对高压环境下迷宫密封非定常流场和流体激振转子动力特性的影响。分析对比进口预旋比为０．２、０．５和　０．７时迷宫密封腔室的旋流强度、周向压力和转子动力特性系数。研究结果表明：高压环境下迷宫密封在低预旋比０．２　

时具有正的、与频率无关的直接刚度系数；随进口预旋比增大，迷宫密封有效阻尼显著减小，穿越频率明显增大；当　预旋比从０．５增加至０．７时，有效阻尼的穿越频率从３９．１　Ｈｚ升高至５５．４　Ｈｚ；进口预旋增加会使得密封腔室周向旋流　

强度增加和周向压力分布不均匀性显著增强，进而导致迷宫密封的直接刚度和交叉刚度　增加，高频区（，＞３０　Ｈｚ）　

下直接阻尼降低和有效阻尼明显降低。　

关键词：迷宫密封；进Ｅｌ预旋；气流激振；转子动力特性；数值模拟　

中图分类号：ＴＫ４７４；ＴＨ１３６文献标志码：Ａ文章编号：０２５４－０１５０（２０１７）１１—００１—０６　

Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｉｎｌｅｔ　Ｐｒｅｓｗｉｒｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｆｌｏｗ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　Ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ　

Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　Ｓｅａｌ　

ＣＨＥＮ　Ｙａｏｘｉｎｇ　ＬＩ　Ｚｈｉｆｌａｎｇ　ＬＩ　Ｊｕｎｌ’　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　ｓｈａａｎｘｉ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ａｅｒｏ・Ｅｎｇｉｎｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｉｎｌｅｔ　ｐｒｅｓｗｉｒｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｆｌｕｉｄ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｒｏｔｏｒｄｙ—　

ｎａｍｉｃｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　Ｒｅｙｎｏｌｄｓ・・Ａｖ・－　

ｅｒａｇｅｄ　Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ（ＲＡＮＳ）ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｏｒｂｉｔ　ｒｏｔｏｒ　ｗｈｉｒｌｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　

ｍｅｓｈ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｒｌ　ｒａｔｉｏ，ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ｃａｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　

ｏｆ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｒｅｅ　ｉｎｌｅｔ　ｐｒｅｓｗｉｒｌ　ｒａｔｉｏ　０．２．０．５　ａｎｄ　０．７　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌａｂｙ—　

ｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ．Ｗｉｔｈ　

ａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｉｎｌｅｔ　ｐｒｅｓｗｉｒｌ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆ－　

ｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　

３９．１　Ｈｚ　ｔｏ　５５．４　Ｈｚ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｗｉｒｌ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　０．５　ｔｏ　０．７．Ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｌｅｔ　ｐｒｅｓｗｉｒｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　

ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｓｗｉｒｌ　ｒａｔｉｏ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ｃａｖｉｔｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－・ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａ－－　

ｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｓｔｉｆｆ－　

ｎｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｄａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　

（ｆ＞３０　Ｈｚ）ａｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｌｅｔ　ｐｒｅｓｗｉｄ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｓｅａｌ；ｉｎｌｅｔ　ｐｒｅｓｗｉｒｌ；ｆｌｏｗ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

透平机械运行压力和转速的提高有效地促进了其　

基金项目：国家自然科学基金项目（５１３７６１４４）．　

收稿日期：２０１７—０１—１５　作者简介：陈尧兴（１９９２一），男，博士研究生，研究方向为气　动热力学与流热耦合分析．Ｅ．ｍａｉｌ：４２５７４３６４２＠ｑｑ．ｔｏｍ．　

通信作者：李军，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方　

向为气动热力学与优化技术，叶轮机械密封技术．Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｕｎｌｉ　

＠ｍａｉｌ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ．　能量转换效率。高压和高转速透平机械的设计需要在　

静子与转子间更小间隙的设计中平衡泄漏流量和转子　

动力特性¨］。迷宫密封由于其可靠的封严性能、相对　

较低的制造成本和易于安装维护，以及其非接触特性　

允许在更高转速下运行的特点，而在透平机械通流动　

静间隙控制中得到应用。但是迷宫密封由于其在高压　

高转速下流体激振引起转子不稳定的缺点，限制了其　

进一步的应用　。　

为了掌握迷宫密封非定常流体激振机制和影响机　２　润滑与密封　

制，研究人　采Ｊ｛Ｊ实验洲　和数值模拟的方法开展了　州噍的研究　邮蟪等人Ｉ　采　Ｉ＿｝ｊ实验测齄和　沦分析的　

方法研究Ｉ，Ｉ　『ｆ｝贞干¨　定２种结构的密封流体激振特性　

罚　量子动力特性的变化规律，指ｍ可倾结构可以有效　

地抑制流体澈撤　Ｊ　张晓旭等　数值对比分析了直通　

和交错齿谜　ｆ　僻封的非定常流体激振特性。王世柱　

等　研究丁进Ｉ　Ｉ流场对迷宫密封转子动力特性的影　

响ＶＡＮＮ１Ｎｌ等　实验研究了湿空气作为Ｔ质的迷　

密封流体激振和转子动力特性的变化特性，指｝｛ｆ湿　

气作为］　质改变了迷宫密封转子动力特性的变化规　

伴陈ｆ５ｌ１ｉ淼等　。研究ｒ发动机内迷宫密封的非定常气　

流激振特性　

实验测｝　研究迷寓密封转子动力特性的基础　

＿Ｌ．１』Ｉ等　提…　’多频椭网涡动模型和动网格技术　

的密封车专予动　Ｊ特性系数预测方法．并结合实验测量　

的崭封数据　验　了多频椭圆涡动模型预测的准确　

Ｉ！ｔ－：ＳＲＥＥＩ）ｔｔＡＲＡＮ等“　采川ＣＦＤ数值方法研究了直　

通齿迷宫密Ｎ的转ｆ－动力特性，研究结果表明迷宫密　

』。ｆ的进口预旋　接影响其流体激振力和转子动力特　

性　为了减小迷　密封的进口预旋，通常存密封进口　

置防旋板结构　拿　刚等０　和孙丹等人　分别采　

川数值模拟和Ｉ　验ｆ｛Ｉ！ＩＪ艟的方法验证了进口防旋板结构　

可以减小进ｉ　Ｊ颅旋，进　减小迷宫密封的流体激振　

力ＣＨＩＬＤＳ等…干¨ＶＡＮＮＩＮＩ等…实验研究ｒ进口　

颅旋对迷宫　封流体激振转子动力特性的影响机制．　

指　了减小逊几预旋可以有效提高迷官密封在高转速　

下的运行稳定性　

运　九　力离丁１０ＭＰａ的环境【｛Ｊ，进ｕ预旋对　

迷宵密封的流　激振力的影响机制需要进一步深入研　

究，特圳是对¨前运行的超超临界汽轮机巾广泛应用　

的迷宵密封　水义作行基于发展的转子多频椭圆涡动　

摸　和动『“Ｊ忤技术，研究了某型超超临界汽轮机应用　

的迷宫密封　３种进【Ｊ预旋比下的气流激振转子动力　

特件．为提　超趔临　汽轮机转子运行稳定性的迷宫　

惭埘防旋板　ｆ勾没汁提供技术数据和理沦指导。　

１　计算模型和数值方法　

１给…Ｊ　迷　密封的了维结构爪意　．．　

／　ｉ　ｉ一　■　

１　迷信密封＿二维结构［划　

Ｆｉｇ　１　＿ｒｈｒｅ（　一ｄｉｍｅ￣￣ｓｉｏｎａｌ　ｓ｜ｒｕｃｈｌｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａ１）ｙｌ‘ｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　第４２卷　

封问隙为０．８　ｍｍ，齿间隙为９．（）Ｉｎｔｏ，静子直　

径为１　０５７．０　ｌｌｌｎｌ，转子直径为ｌ　０４２．０［Ｈｉｌ１．转子凸　

台长为４．７　Ｈｌｍ，高为４．５　ｍｔｎ　

２给ｆＩ｛ｌｒ迷宫密封计算网格　、迷宫密封的计　

算模型和网格均为３６０。整　全■维结构　采用　

ＡＮＳＹＳ　ＩＣＥＭ　ＣＦＤ对密封计算模型进行结构化网格划　

分．并在转静壁面处进行加密，以满足湍流模型对　

Ｙ　的要求。　

２迷宫密封计算网格　

Ｆｉｇ　２（］ｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｇｒｉｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｂｙｌｉｎｔｈ　ｓｅａｌ　

采用基于动网格技术和多顿椭　涡动模　的计算　

方法求解非定常Ｒｅｙｎｏｌｄｓ—Ａｒｔ　ｒａｇｅｄ　Ｎａｖｉｅｒ　Ｓｔｏｋｅｓ　

（ＲＡＮＳ）方程，计算分析了不同进　预旋下迷宫密　

封的转子动力特性系数、旋流强度和非均匀流场。图　

３给ｆ　ｒ转子椭圆涡动轨迹模　爪意图　。　

ｏ：静子中心（涡动中心１　

（ａ）　疗向激励　ＩｂＩ）　疗向激励　

３转子多频椭圆涡动轨迹丰｛！型　

Ｆｉｇ　３　Ｍｕｈｉｐｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｏｒｂｉｔ　ｒｏｔｏｒ　ｗｈｉｒｌｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ