迷宫密封特性研究

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摘 要

迷宫密封常用于防止透平机械的泄漏，它的研究重点是减少泄漏， 提高运行稳定性和延长使用寿命。然而，如何对其泄漏量进行计算，进而对其结构进行合理设计，至今仍是人们关注的问题。影响迷宫密封性能的因素有许多， 如总体的结构型式、空腔形状及尺寸、节流间隙宽度、节流齿厚度及数量、齿形状、介质特性、压力温度条件、转轴旋转速度等。介质在迷宫密封内的流动情况十分复杂，影响因素较多且相互关联，这增加了研究的难度，同时使研究结果相互间差异很大。本文主要从泄漏量和密封影响因素以及迷宫密封内部流场机理等方面简要的介绍对迷宫密封特性的影响，最后简要地探讨了迷宫密封特性研究的发展方向。

关键词：迷宫密封 ，密封机理 ，发展趋势

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Abstract

A labyrinth seal is a component used in a turbomachine to prevent the leakage of the working fluid .the emphasis of its research is to reduce leakage, improve stability and prolong working life. Nowadays people care for the way how to compute the leakage rate and how to optimize the design of structure. There are Many factors that influence the performance of a Labyrinth seal, such as structures, shape and size of cavities, clearance area, thickness and number of teeth, shape of teeth, property of seal gas, pressure and temperature, Shaft rotation speed and so on. The situation of flow field Inflow in Labyrinth seal cavity, many factors are related, so the research will be more difficult and the consequence will be different. This article mainly from the leakage and the factors affecting seal and labyrinth seal mechanism of the internal flow field in terms of characteristics of labyrinth seal, and finally briefly discusses the characteristics of labyrinth seal development.

Key words: Labyrinth Seal Sealing mechanism Trends

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1 迷宫密封特性研究的背景和意义

迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程（压力能转化为动能）和密封空腔中的动能耗散过程（动能转化为热能）实现密封。迷宫密封已被广泛用于航空发动机、压缩机、透平膨胀机、汽轮机、水轮机、离心式低温泵等机械中，迷宫密封是透平机械中常用的密封元件。

迷宫密封的研究重点是减少泄漏，提高运行稳定性和延长使用寿命。然而，如何对其泄漏量进行计算，进而对其结构进行合理设计，至今仍是人们关注的问题。影响迷宫密封性能的因素有许多，如总体的结构型式、涡流空腔形状及尺寸、节流间隙宽度、节流齿厚度及数量、齿顶形状、齿倾角、介质特性、压力温度条件、转轴旋转速度和介质流向等。介质在迷宫密封内的流动情况十分复杂，影响因素较多且相互关联，这增加了研究的难度，同时使研究结果相互间差异很大。

实际上，迷宫密封的宏观密封性能，只是其内部流动和换热本质的具体表现而已，因此，求解迷宫密封内部的流动过程，是研究迷宫密封的根本出发点，同时，掌握不同结构下的迷宫密封内部的流动特点，也可以理解密封产生故障甚至密封失效的原因，这样对应对迷宫密封的全面了解有着重要的意义。

2 迷宫密封的简介

2.1 迷宫密封的机理

迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的[1]。

流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。对液体，有流体力学效应，其中包括水力磨阻效应、流束收缩效应；对气体，还有热力学效应，即气体在迷宫中因压缩或者膨胀而产生的热转换；此外，还有“透气效应”等，而迷宫效应则是这些效应的综合反应。图1为迷宫密封结构示意图。

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图1 迷宫密封结构示意图

迷宫密封具有在高速条件下有良好的密封性能，不需润滑，无摩擦，维修简单，使用寿命长，不需要采用其他密封材料的优点，主要用于密封气体。现已被广泛用于航空发动机、压缩机、透平膨胀机、汽轮机、水轮机、离心式低温泵等机械中，对一般密封所不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位特别有效。

迷宫密封是流体机械中应用非常广泛的一类非接触式密封。迷宫密封被做成各种形状的曲折通道，通过增加流体流动的局部动能损失来减少流体的泄漏量。气体从高压侧以极高的流速流经节流窄缝，再进入迷宫腔膨胀，以消耗气体流经窄缝形成的动能，如此经过多次节流和膨胀产生阻力，阻止气体向外泄漏，借以达到密封的目的。但是迷宫密封的加工精度高，难于装配，并且迷宫密封不受旋转速度和温度的限制，摩擦功耗极小，增加密封齿数目可密封较高压力的气体。迷宫密封泄漏量和迷宫密封的结构形式以及各种运行参数有较大的关系，因此对于迷宫密封的试验测量存在较大的困难和测量误差[2]。

3 迷宫密封在国内外的研究现状

近一个世纪以来，各国学者对迷宫密封做了广泛而深入的研究，取得了大量有意义的成果。但其工作主要集中在迷宫密封泄漏量的计算及密封性能影响因素的分析上。所用的方法主要有热力学分析的方法、计算流体力学数值分析方法以及泄漏量测量和流动显示等实验研究方法。

3.1迷宫密封内部流场研究

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在探索迷宫密封的机理上，各国的学者不遗余力，或采用数值研究，或运用流动显示试验。D.L.Rhode等人在发表的大部分文章中数值计算了迷宫流场中各种物理量的分布情况，详细阐明了流动过程中的湍流流动机理。D.L.Rhode等采用流动显示试验测量了阶梯形迷宫密封空腔内的流体振荡和流动不稳定性，发现对空腔内的直流射流存在着流动不稳定性，包括一个分叉的流线谱；他还通过试验，初步了解了迷宫通道内连同自激振荡一起发生的流动不稳定性现象[3]。图2为锯齿形迷宫密封内部流动速度矢量图。

图2 锯齿形迷宫密封内部流动速度矢量图

赵斌采用数值模拟的办法，利用Gambit软件建立了阶梯型迷宫密封的二维计算网格，导入Fluent软件，采用SIMPLE算法对迷宫密封内部流场进行数值模拟，得出了迷宫密封内部流场的速度、压力、湍流强度以及湍流粘度的分布云图。结果表明，气流流经齿缝时是加速降压过程，气流流出齿缝进入齿腔时是等压增阻过程。选取6种不同尺寸的阶梯型迷宫密封结构，分别得出在不同的雷诺数条件下压力降系数与涡流损失系数变化曲线;选择具有较好密封性能的LS3阶梯型迷宫密封结构作为最优结构[4]。

3.2 密封性能的影响因素

在迷宫密封性能影响因素的研究方面，由于影响因素很多，如总体结构型式、节流间隙形状、间隙尺寸、涡流空腔形状、空腔尺寸、密封齿数、密封齿倾斜角度大小、介质流向、温度和压力条件、介质特性、偏心度、径向密封时机械的旋转速度、轴向密封时轴的运动速度和运动频率等等，目前都是采用数值研究与实验研究相结合的方法。

D. L. Rhode等以航天主发动机为背景所开展的系列研究，详细地探讨了结构尺寸变化对不同形式迷宫密封性能的影响，大大加深了人们对迷宫通道内部流动的稳态特性的认识。研究表明，薄齿情况下，泄漏量受齿厚影响很小；在小间隙宽度情况下，间隙效应对泄漏量的影响较大；密封齿被磨损后会增加迷宫密封的泄漏量，关于这一方面的研究以前几乎没有

[7]

。这同样能用数值模拟得到验证，巴鹏采用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化

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网格模型，利用FLUENT模拟迷宫密封的内部流动，分析空腔深度、间隙宽度、节流片的倾斜角对迷宫密封性能的影响，得到较为优化的迷宫密封结构。结果表明:间隙宽度增加，迷宫密封泄漏量逐渐增大，空腔深度和节流片倾斜角增大，泄漏量减小；间隙宽度和空腔深度对密封性能影响较大，而节流片倾斜角的影响较小[5]。

S.Witting等主要采用试验的方法研究了公差比例效应等因素对迷宫密封性能的影响，研究发现，雷诺数Re和马赫数Ma与相应的结构尺寸变化一样，对迷宫密封的性能起重要影响。主要表现在:随着结构尺寸比例的增大，迷宫密封的泄漏量增加;随着雷诺数Re和马赫数Ma的增大，迷宫密封的泄漏量增加。另外，他还通过数值计算和实验研究相结合的方法，重点研究了阶梯型迷宫密封的传热特性。结果表明，迷宫密封结构的变化对于换热特性有较大的影响，在小间隙宽度时，定子的努谢尔数Nu高于转子的努谢尔数Nu，而在大间隙宽度情况下则相反，即定子的努谢尔数Nu数低于转子的努谢尔数Nu数。

王炜哲等应用了数值模拟和实验相结合的方法，通过建立迷宫密封一转子试验台，对密封进出口压比分别为1.5、3.0、6.0和7.0下的密封腔室内气流流动和转子振动特性进行同步试验测量，并基于振荡流体力学原理进行数值计算分析。通过对定转速条件下的密封齿腔平均压力、脉动压力周向分布以及转子临界转速等的对比分析，表明迷宫密封内气流流动对转子临界转速影响明显，试验测量和数值计算结果比较吻合[6]。

王锁芳等人通过对不同齿型的封严篦齿的流动进行数值模拟，系统分析了齿型结构的微小变化对封严效果的影响。研究结果表明:齿腔大小和齿腔形状是决定篦齿封严效果的重要因素，并指出等腰梯形齿的密封特性优于其它齿型。他还通过数值计算和实验相结合的方法研究了转速对密封性能的影响，研究表明，在低转速情况下，转速对密封性能的影响很小。

3.3 泄漏量的计算

迷宫密封的泄漏特性由流量系数来表征，流量系数等于实际泄漏量与理想泄漏量之比。流量系数大都由试验数据和经验来取得。流量系数越小则表示密封性能越好。因此，设计良好的密封应该具有较小的流量系数。由于迷宫密封内流体流动状态为湍流，其流动机理还没有完全被掌握，因此现有的计算泄漏量公式大多为在理想泄漏量公式的基础上进行修正得到的。

按照发展先后，有Egli计算法、Kcarton 计算法、Somerling计算法、Stodola计算法等，之后Joseph K.Scharrer和Childs。在这些计算方法中，都是采用首先由热力学的一些理想过程模型推导出的计算关系式，后再用由实验或经验数据得到的流量系数进行修正而得出泄漏量的值。朱高涛、刘卫华对现有的几种迷宫密封泄漏量计算方法的理论推导原理、公式特点、使用方法与适用范围等进行了分析，并提出了一种简化分析的迭代计算方法。这使得可以通过很简单的迭代程序预测迷宫密封泄漏特性，避免了对迷宫密封泄漏特性复杂困难的数值模

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拟[7]。

因为热力学方法计算泄漏量有一定的缺陷，一些文献采用了数值方法来预报密封的泄漏特性，这方面以D. L. Rhode为代表的美国研究人员做了大量的工作[8]。例如，他通过数值计算的方法得到了不同结构迷宫密封的密封特性，即密封压差随结构参数的变化情况，从中确定出一种最优结构。H. A. E I - Gamal等人研究了不可压缩流动在静止和旋转情况下不同结构迷宫的密封性能并指出，不同迷宫结构的密封性能随空腔宽度与齿高的比率的增大而提高，但是随着比率的增加，存在着性能好坏的差异，而且轴旋转与否对不同结构迷宫密封性能的影响不同。

刘有军等也采用有限元数值预报了径向迷宫密封的泄漏特性。他研究了一种通过单腔室迷宫密封可压缩流动的数值计算结果得到整体迷宫密封的泄漏特性的方法。李志刚等采用标准k2 -ε紊流模型和三维RANS方程求解方法，数值研究了密封间隙、压比、转速对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律并得出：用相对流量系数（转动时的流量系数与静止时的流量系数的比值）与速比（周向速度与轴向通流速度的比值）的函数关系表征泄漏量随转速变化的规律时，存在一个临界速比约等于110;低于这个临界速比时，转速对泄漏量的影响不明显;高于这个临界速比时，泄漏量随转速的增大而减小，在很高的转速下（6000r/min以上），泄漏量至少减小了511%；相同间隙下，泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加；相同转速下，随着密封间隙的减小，相对泄漏量逐渐降低[8]。丁学俊等 应用Fluent软件计算不同迷宫结构对迷宫密封流场和泄漏量的影响。其计算结果表明:迷宫密封泄漏量随间隙宽度呈线性变化;随着密封齿厚度的增加，泄漏量相对减少，泄漏量按线性关系变化;对于空腔深度而言，空腔深度越大，紊流程度下降，泄漏量越大;对不同齿型，半圆形密封齿泄漏量最大，其次是弧形齿，在实际应用中应多使用直齿，梯形齿和三角齿，以减少泄漏量[9]。

为了更准确的研究迷宫密封泄漏特性，李志刚等设计并搭建了旋转密封试验台测量不同压力和转速下的泄漏量和密封腔室压力。并且通过数值模拟结果的对比分析，找出了压比转速对迷宫密封泄漏特性和腔室压力的影响规律．研究结果表明数值方法可以较准确地预测迷宫密封的泄漏量和腔室压力，相同转速下的流量系数随着压比的提高而增大，小压比下的流量系数增加迅速，相同压比下的转速对流量系数的影响很小，可以忽略。迷宫密封腔室压力系数沿流动方向逐渐减小，密封腔室结构对压力系数影响很大[10]。

4 迷宫密封的加工制造方法

迷宫密封的型式有：直通形迷宫、复合直通形迷宫、参差形迷宫、阶梯形迷宫等四种。 图a为直通形迷宫。结构简单，形状很像梳齿，有很大的直通效应。 图b为复合直通形迷宫，是台阶和梳齿复合组成的，使密封性能有所改善，但加工复杂，直通效应减弱。

图c为参差形迷宫。齿间有足够的距离，膨胀腔愈大，密封效果就愈好。

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图d为阶梯形迷宫，结构在径向尺寸上有所变化，适用于径向密封。

图3 迷宫密封的型式

由于制作方便，直通型迷宫应用最广，因此在此主要介绍该类迷宫的加工和迷宫特性。由于在轴表面加工沟槽或各种形状的齿要比孔内加工容易，因此常把孔加工成光滑面，与带槽或带齿的轴组成迷宫，这就是直通型迷宫。但是，直通型迷宫存在着透气现象，其泄露量大于理想迷宫的泄露量。

迷宫特性的影响因素：

（1）齿的影响。根据国外所进行的试验得出：齿距一定时，齿数越多，泄露量越少。齿距改变时，齿距越大，泄露量会急剧下降，同时还可以减少透气现象的影响。

（2）膨胀室的影响。国外对膨胀室深度的影响进行过试验研究，结论是浅的膨胀室对减少泄露量有利。根据对膨胀室流动状态的观察，认为浅膨胀室中的旋涡是不稳定的。由于旋涡能很快地把能量耗尽，所以膨胀室的渐近速度减小，起到减小泄露的效果。

（3）副室的影响。所谓“副室”是指直通型迷宫光滑面上开的附属槽，开槽后迷宫中的流动状态立即发生明显的变化。试验证明，只要副室的位置恰当，泄露量的减少率是相当大的。

5 迷宫密封的发展前景

从研究方向来说，可以得出迷宫密封有以下四个发展前景。

（1）探讨多齿数、非稳定、临界状态下迷宫密封流场的高精度计算方法，主要解决高速可压缩流场中流动参数剧烈变化的有效捕捉和数值计算的精确与稳定等关键问题。

（2）建立多齿数、非稳定、临界状态下轴向（或径向）迷宫密封流场的计算流体力学模型，进行数值模拟，分析对整个密封性能起关键作用的流体特征（如涡运动、分离泡形成

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与发展、射流弯曲与冲击等），进而揭示迷宫密封内气体流动特性与泄漏特性之间的内在联系，并分析总体结构型式、节流间隙形状、间隙尺寸、涡流空腔形状、空腔尺寸、密封齿数、密封齿倾斜角度大小等不同因素对密封性能的影响，从而实现对上述影响因素的合理设计。

（3）建立多齿数轴向迷宫密封实验台，进行流动显示，并测量出工作状态下各密封腔内的温度分布和压力分布及实际泄漏量，验证和修正理论计算模型。

（4）提出多齿数、非稳定、临界状态下迷宫计算密封泄漏量的简单而又精确的计算方法或关系式。它将流体力学中流场数值模拟方法和热力学中热力过程分析方法相结合，得到密封泄漏系数和迷宫密封内流动过程的多变过程指数，从而用于密封泄漏量的简便、实用和精确计算，这与以往的仅从热力学理论或流体流动分析单方面进行研究相比，更能从物理本质上体现迷宫密封的泄漏特性。

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参 考 文 献

[1] 顾永泉.流体动密封[M].北京:中国石化出版社.2004，5:85-95 [2] 李圣昭.基于CFD技术的膨胀机轴封用迷宫密封[D].2011，5:1-5

[3] 赵斌等. 基于 CFD技术的阶梯型迷宫密封的结构优化[J].润滑与密封.2008.10.66-69 [4] 巴鹏，李旭，任希文等.迷宫密封内部结构尺寸对泄露量的影响[J].西安交通大学学报.2011.3.101-104

[5] 王炜哲，刘应征，叶春等.迷宫密封内部结构尺寸对泄露量的影响[J].机械工程学报.2007.3.22-27

[6] 朱高涛，刘卫华.迷宫密封泄漏量计算方法的分析[J].润滑与密封.2006，4:124-126 [7] 李志刚，李刚，丰镇平.迷宫密封泄漏特性特性影响因素的研究[J].西安交通大学学报.2010，3:16-20

[8] WANG Wei-zhe，LIU Ying-zheng. NUMERICAL ANALYSIS OF LEAKAGE FLOW THROUGH TWO LABYRINTH SEALS [ J ]. Science Derect.Journal of Hydrodynamics，1992，114 (1):47-51

[9] 丁学俊，杨彦磊，肖国俊.迷宫密封流场与泄漏特性研究[J]. FLUID MACHINERY. 2006.14-18

[10] 李志刚，郎骥，李军等.迷宫密封泄漏特性的试验研究[J].西安交通大学学报.2010.3.49-64 [11] Rhode.D.L,Allen.B.F . Measurement and Visualization of Leakage Effects of Rounded Teeth Tips and RubGr ooves on Stepped Labyrinths[J]. AS ME . Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . 2001, 123(3) : 6042 611 .

[12] 刘卫华，林丽，朱高涛.迷宫密封机理的研究现状及其展望[J].流体机械.2007(35).35-39

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/in9f.html