严的结构

篦齿结构对封严特性的影响

胡东旭;朱阳历;张雪辉;李文;陈海生

【摘要】根据旋转机械中常见的篦齿密封结构设计直通型和台阶型2组篦齿密封

实验模型,实验研究篦齿密封的封严特性.通过实验和数值方法比较不同进出口压比

和节流间隙下2组篦齿密封的封严特性,研究台阶篦齿与衬套轴向相对位置对封严

特性的影响,探究篦齿内部沿程压力分布情况.研究结果表明:在密封长度相同的条件

下,台阶齿泄漏系数比直通齿降低了约45％;台阶齿对节流间隙变化的敏感性要低于

直通齿,表明台阶型篦齿性能稳定性优于直通齿;低压比时泄漏量受台阶篦齿与衬套

轴向相对位置的影响很小;在文中条件下当齿尖位于衬套台阶中心位置时,篦齿密封

的泄漏量最大;直通型和台阶型篦齿沿程压力系数的分布基本相同,都近似线性降低;

与实验结果不同,数值计算结果表明台阶齿在齿尖处存在压力突降,而在齿腔中存在

一个压力突峰.%Experimentalmodelsofstraight-throughandstepped

labyrinthalsweredesignedtostudythealingperformanceofdifferent

rimentalandnumericalmethods,thealing

performancesofstraightthroughandsteppedlabyrinthalsunder

differentpressureratioandalingclearancewerecompared,theeffectsof

relativeaxiallocationofsteppedlabyrinthalontheleakage,aswellas

ultsshow

that,atthesamealinglength,theleakagecoefficientofsteppedlabyrinth

alislessthanstraightonebyabout45％.Thechangeofaling

clearancehassmallerinfluenceontheleakageofsteppedlabyrinthal

comparedwiththestraightone,indicatingthatthesteppedlabyrinthal

ativeaxiallocationhasalittleeffecton

etoothtipislocatedatthe

middleofcover,

pressuredistributionofsteppedandstraight-throughlabyrinthalsis

similar,ericalresultsshowa

pressurevalleyatthetoothtipandapressurepeakatapositionofthe

cavity,whichisdifferentfromtheexperimentalresults.

【期刊名称】《润滑与密封》

【年(卷),期】2017(042)010

【总页数】7页(P80-86)

【关键词】直通型篦齿;台阶型篦齿;泄漏系数;压力分布;封严特性

【作者】胡东旭;朱阳历;张雪辉;李文;陈海生

【作者单位】中国科学院工程热物理研究所北京100190;中国科学院工程热物理

研究所北京100190;中国科学院工程热物理研究所北京100190;中国科学院工程

热物理研究所北京100190;中国科学院工程热物理研究所北京100190

【正文语种】中文

【中图分类】V231.3;TH117.2

篦齿封严因具有结构简单、易于维护、成本低、在高温和高转速下可靠性高等优点，

成为流体机械中应用非常广泛的一种非接触密封类型。发动机的整体工作效率和热

性能直接影响篦齿封严中的泄漏量，在现代透平设计中准确预估和减少篦齿封严的

泄漏量十分关键[1-3]。

WITTING等[4]的研究结果表明，篦齿封严的泄漏系数与雷诺数、马赫数及结构尺

寸成正比。RHODE等[5-6]认为，在节流间隙较小时，泄漏量将会受到节流效应

的较大影响。纪国剑等[7]通过数值计算，比较了直通型篦齿和台阶型篦齿的封严

特性。DENECKE等[8]探究了篦齿和衬套的轴向相对位置等因素对封严性能的影

响规律。LI等[9]通过实验和数值方法获得了篦齿封严沿程压力分布情况。文献

[10-12]探究了不同几何结构下篦齿的封严特性。

充分了解不同篦齿密封结构内部的流动特性，有针对性地比较结构密封性能的优劣，

对于优化设计，提高密封效果，有着十分重要的意义。而当前尽管学者们对篦齿的

流动特性进行了广泛研究，取得了很大的进展，但在工程实际尺寸下对直通型和台

阶型篦齿密封内部压力损失情况、流动特性、密封效果分析及比较，仍不多见。本

文作者分析了台阶篦齿与衬套轴向相对位置对封严特性的影响，获得了在工程实际

尺寸下篦齿封严的沿程压力分布，并对直通型和台阶型篦齿的封严特性进行了比较。

图1为篦齿封严系统的示意图，图2为篦齿封严实验系统实物图。实验系统主要

由供气系统、密封实验段和测量系统3个部分组成。篦齿封严实验供气系统的气

源由一台排气量为60m3/h的活塞式压缩机提供，最大排气压力为0.8MPa。实

验工质由活塞压缩机送入储气罐，再经过压力调节器调压后进入油水分离器，经分

离后的纯净空气依次经过质量流量计和稳压腔后进入实验段，最终排入大气。

图3、图4分别是实验段的实物图、三维图和剖面图。

该实验段结构主要有如下优点：(1)可以方便地更换不同结构实验件，节省实验时

间和经济成本，为研究更多不同几何结构的篦齿密封性能提供有利条件；(2)可以

通过调节实验段固定底座的螺栓，更方便地获得不同的节流间隙，探究不同节流间

隙下的密封性能。

图5为直通型和台阶型篦齿实验件的实物图，图6为2种实验模型的几何结构示

意图。参考工程实际尺寸，设计了2种齿型的结构参数，如表1所示。为了对2

种不同篦齿密封性能进行更准确的比较，实验模型中2种篦齿的齿腔深度、齿腔

宽度和齿数均是一样的。

实验数据测量主要包括压力、流量和温度测量3部分。压力测量系统主要由引压

管、压力传感器和压力显示仪表组成。图3和图4给出了测压孔和引压管的布置

情况。压力传感器为北京华世天利HSTL-800，精度均为0.2级，量程为0～1.0

MPa。进口气体温度由T型热电偶测得，测量精度为0.75%。泄漏量由cole-

parmer质量流量计(量程为10～1000L/min)测得，精度等级0.2。节流间隙由

塞尺测得，最小分度值为0.02mm。

采用CFX进行数值计算，设定计算域为稳态流动，流体工质为25℃空气，选用

k-ε湍流方程以及总能传热方程。给定入口总压为0.2MPa，出口压力设为0.1

MPa。上下壁面为绝热条件，前后壁面为对称结构，且壁面均为无滑移光滑壁面。

整体结构采用非结构化网格，在壁面采用附面层网格。

为确保数值计算的准确性，对网格进行敏感性分析。对于篦齿结构，齿腔2个底

角和齿尖位置对网格质量最为敏感，因此对这2个位置进行分析。

表2和表3分别给出了不同齿腔、齿尖网格尺寸下泄漏量结果对比。由表2可知，

当体网格尺寸达到0.1时，齿腔底角处网格即可与壁面贴合较好，且此时泄漏量与

网格尺寸为0.05时相差小于1%，可见体网格尺寸为0.1时满足底角网格划分要

求。篦齿齿尖以及周边位置的流速以及压力变化比较剧烈，因此对网格质量要求也

较高。由表3可见，当网格尺寸由0.1减小到0.05时，泄漏量变化小于0.5%，

可见网格尺寸为0.01能够满足齿尖对网格划分的要求。同时，文中还对不同边界

层网格设置对结果的影响进行了分析，第一层边界层网格取0.01～0.02，比率取

1.1～1.5，层数取3～5时，泄漏量变化小于1.5%，综合考虑计算精度和时间成

本，边界层第一层取0.02，比率取1.2，层数取3。

为了排除节流面积和进口压力对分析结果的影响，文中引用了泄漏系数和压力系数

[13]：

φ=mreal/(p0A)

φ=

压力系数φ表征了各密封腔室具有的降低工质压力的能力。

图7给出了在节流间隙为0.3mm时，2种类型篦齿结构泄漏系数随试验段进出

口压比的变化情况。可以看出，低压比时，随着压比提高，泄漏系数快速增加；当

压比达到1.8后，直通型篦齿的泄漏系数逐渐趋向定值。对于台阶型篦齿，其泄漏

系数始终小于直通型篦齿，达到基本稳定时，台阶型篦齿的泄漏系数比直通型篦齿

泄漏量小45%左右。由以上分析可知，在结构尺寸相近、密封长度相同时，台阶

型篦齿的封严性能相较于直通齿明显提高。这主要是因为台阶型篦齿由于衬套壁面

的阻挡作用，消除了透气效应，而直通型篦齿的透气效应较强。从图8所示的齿

腔内流体的速度矢量图可以看出，在直通型篦齿中，有一部分流体经前一节篦齿节

流加速后，并没有进入到齿腔内产生涡旋，而是以较高的流速直接进入下一节篦齿，

进一步解释了台阶型篦齿的封严性能好于直通型篦齿的原因。

图9示出了直通型和台阶型篦齿泄漏系数随节流间隙变化曲线。可见，压比相同

(p0/pout=2.0)时，2种篦齿结构的泄漏系数都随着节流间隙的增加而近似线性增

加。当节流间隙由0.2mm增加到0.6mm时，直通型和台阶型篦齿的泄漏系数

分别增加了约70%和30%，可见直通型篦齿泄漏量对节流间隙的变化要高于台阶

型篦齿。这是因为当直通型篦齿的节流间隙增大时，透气效应将显著增强，即有更

多的气体经过齿尖节流后直接进入到下一节齿腔。而对于台阶型篦齿，在小于衬套

台阶的高度的范围内，即使节流间隙增大，大部分气体仍会在齿腔中形成涡旋，因

此流体的机械能损失变化较小。可见对于节流间隙这一因素而言，台阶型篦齿的封

严性能的稳定性要优于直通型篦齿。

图10和图11分别给出了不同衬套轴向相对位置时压比对泄漏特性的影响曲线及

不同压比时衬套轴向相对位置对泄漏特性的影响曲线。结合两图可知：低压比时，

篦齿与密封盖的轴向相对位置、对泄漏量影响很小；当压比提高到2.0后，泄漏系

数所受影响逐渐增大；当篦齿齿尖位于衬套台阶的中心位置(x/B=0.5)时，泄漏系

数达到最大值；相同压比下，当x/B=0.3或x/B=0.7时，泄漏系数相较于

x/B=0.5时降低了7%左右，其原因将结合流体的速度矢量图进行分析。

图12给出了不同篦齿衬套相对位置下齿腔内速度矢量图。

如图12(a)所示，当x/B=0.3，即篦齿相对于衬套中心向右偏移时(在实验中通过移

动衬套来实现相对位置的改变)，齿尖入口处没有涡旋，但是气体经过齿尖节流加

速后，直接撞击到衬套表面，在台阶前段的齿腔(位置1)处产生了较为强烈的涡旋。

如图12(b)所示，当篦齿向左移动到衬套台阶中心位置时，位置2处的涡旋程度明

显低于图12(a)中的位置1，故此时的泄漏量略有提高。如图12(c)所示，当篦齿

进一步左移，即x/B=0.7时，齿腔内的流型相对于图12(a)和图12(b)有了较大变

化。经齿尖节流的气体在撞击衬套壁面前，发生了较为严重的发散，在台阶前端齿

腔内没有产生明显的涡旋。但是流体在齿尖前端(位置3)产生了较为强烈的涡旋，

这是沿衬套壁面流动的气体与下端齿腔内涡流碰撞的结果；在齿尖后端(位置4)气

体流动也比较紊乱，这是因为由下端篦齿腔回流进上端齿腔的气体与经齿尖射流的

气体发生了碰撞。综上所述，流体涡旋的强弱程度影响了篦齿的密封性能，但是此

处影响较小。

图13给出了台阶型篦齿沿流动方向压力分布的实验和数值计算结果。由于实验中

的沿程压力是通过在衬套上打引压孔的方式来测量的(见图3和图4)，因此获得的

是齿腔中衬套表面的静压。为了便于对比，图13中数值计算的压力曲线表示的也

是衬套内表面的静压。由图13中的模拟曲线可见，压力在齿尖处存在突降，这是

因为齿尖节流导致流体速度迅速提高，动能增大，静压降低。在齿腔中压力存在一

个突然上升，这是因为经齿尖节流的气体进入齿腔后直接喷射到衬套壁面(如图14

的位置1所示)，速度迅速降低，导致位置1处静压较高。需要特殊说明的是，因

测点位置原因，实验曲线中没有反映出这种趋势。

下面做进一步的理论分析。由于实验中气体入口温度与环境温度相同，且根据实验

结果进出口温差很小(小于0.5℃)，且气体不做机械功，故可以将此篦齿流动看作

绝热条件下不做功的流动。其流动能量方程为

结合热力学第一定律解析式

(h2-h1)-Vdp=0

可得

将上式写成微分形式

cfdcf=-Vdp

将式(6)两端各乘以右端分子分母各乘以kp，得

=-

将声速方程式

c==

代入式(7)，用马赫数Ma来表示，得

=-kMa2(其中Ma=)

由式(9)可见，dcf和dp的符号始终相反。这说明气体在流动中，如果流速增加，

则压力必然降低；反之，流速降低，则压力升高。因此在齿尖处出现了压力突降，

在图14中的位置1处则出现了压力突升。图14给出了台阶型篦齿齿腔内压力分

布情况，可知，经过每个齿尖后，压力都有明显的下降，齿腔漩涡中心位置的压力

略低于其周围压力。

(1)台阶型篦齿由于衬套的阻挡作用消除了透气效应，在节流间隙、齿腔宽度、齿

腔深度和齿数相同的条件下，其泄漏系数比直通型篦齿降低了45%左右，封严性

能显著提高。

(2)低压比下泄漏量受台阶篦齿与衬套轴向相对位置的影响很小，相同压比下，当

篦齿齿尖位于衬套台阶的中心位置(x/B=0.5)时，泄漏系数达到最大值。

(3)当节流间隙由0.2mm增加到0.6mm时，直通型和台阶型篦齿泄漏系数分别

增加了约50%和30%，可见台阶型篦齿对节流间隙的敏感性低于直通齿，表明台

阶型篦齿性能稳定性优于直通齿。

(4)数值计算结果和实验结果均表明台阶型篦齿沿程压力系数的分布呈近似线性降

低，但数值计算结果表明台阶齿在齿尖处存在压力突降，且在齿腔中存在一个压力

突峰，而实验结果没有反映这种趋势。

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