采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF（Bulk Flow）方法计算值进行了比较。研究结果表明：所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF方法。对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大。过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性。

为了降低迷宫密封的泄漏量,提出一种在直通型迷宫密封的密封齿前端和后端设立凹槽的密封结构,基于CFD方法,建立迷宫密封数值仿真模型。通过与已有试验数据的对比,验证模型的正确性。探讨不同湍流模型的适用范围,并对比光滑表面、前置凹槽、后置凹槽3种结构在泄漏量、轴向压降及流场速度分布的差异性。结果表明SST湍流模型更加适用于迷宫密封这种窄间隙的近壁面流动;前置凹槽结构降低泄漏量的效果较差,只有在高压力差下才能降低泄漏量;后置凹槽结构能改变迷宫密封腔内漩涡方向及状态,进而降低迷宫密封透气效应,加剧密封的能量耗散的同时降低泄漏量。因此,后置凹槽的迷宫密封结构具有较好的工程应用前景。

针对分层采油泵内柱塞与泵筒间隙密封泄漏问题,为探究分层采油泵迷宫密封机理和分层采油泵密封槽在不同泵间隙下适用的油液黏度范围,基于计算流体动力学理论对其间隙流场进行数值模拟分析。分析结果表明油液通过节流间隙将压力能转化为动能,进入密封槽后形成1个大涡流和3个小涡流将动能转化为热能,从而达到密封作用;对于一级泵间隙,当油液黏度大于2 mPas时,纯间隙段阻流效果优于密封槽段;对于二级泵间隙,当油液黏度大于2.5 mPas时,纯间隙段阻流效果优于密封槽段;对于三级泵间隙,当油液黏度在1~6 mPas区间时,密封槽段阻流效果始终优于纯间隙段。研究结果可为分层采油泵的现场应用提供理论依据和参考。

采用FEA和CFD相结合的方法对直通型迷宫密封齿尖磨损引起的封严性能退化规律进行了研究,利用已有的实验数据对数值方法的有效性和精度进行了验证,获得了迷宫密封磨损后的几何形状,分析了齿尖磨损对迷宫密封泄漏量和流场结构的影响机制。结果表明在动静碰磨过程中,密封齿尖会出现显著蘑菇化变形。接触换热系数hrot和对流换热系数hair对磨损形状影响显著。当转子向齿尖侵入0.4 mm,泄漏量增大了82.4%。磨损导致齿尖下游腔室静压降低、总压升高、动能耗散作用降低,携流效应增加。

采用基于转子多频椭圆涡动模型的Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程求解方法,研究了防旋板高度与第1个迷宫齿前缘高度相同时,防旋板高度对迷宫密封泄漏流动和转子动力特性系数的影响。计算分析了典型中等进口预旋条件下,无防旋板结构以及防旋板高度为1.85,3.7和7.4 mm时,密封泄漏量、气流周向速度与转子动力特性系数。研究结果表明防旋板高度对密封泄漏量的影响可以忽略;当防旋板高度与第1个迷宫齿前缘高度相同时,存在最佳防旋板高度使得防旋板下游气流周向速度最低;防旋板高度增加能够降低进口腔室区域内周向压力波动,进而降低正切向气流激振力,同时能够略微增加防旋板下游腔室区域内负切向气流激振力,使密封转子稳定性增强,但是密封直接刚度在低涡动频率范围内(<162 Hz)随防旋板高度增加而降低。

为探究转子半锥形涡动时密封汽流激振及动力特性,采用FLUENT用户自定义函数和相对旋转模型实现1000MW机组转子的锥形涡动,展现了半锥形涡动时汽流激振特征,并通过快速傅里叶变换得到密封动力特性,分析了半锥形涡动下转子的动力稳定性。结果表明转子半锥形涡动时,动力系数波动显著。kzz与kyy的绝对值是平行涡动的4倍。直接阻尼czz和cyy发生相反的变化。交叉刚度kzy与kyz均减小,激振力Fz在切向上的作用增强。交叉阻尼在25Hz后相对变化小于35%。锥形涡动对稳定性影响随涡动频率的增加显著增强,不利于转子稳定。密封内湍流效应增强、齿顶射流改变和涡系在空间上的演化会加剧密封内部压力的波动和不均,扩大汽流激振影响,导致转子稳定性降低。

为了解决超高压柱塞密封易泄漏、密封件使用寿命短的问题,研制了一种高可靠性、长寿命的超高压柱塞密封装置,设计了迷宫式间隙密封与自封式密封相结合的两级超高压密封结构,并通过数值模拟分析计算了第一级迷宫式间隙密封对泄漏的高压水的压力降低值,通过超高压泵试验验证了超高压密封的可靠性和使用寿命。结果表明,迷宫式间隙密封可以将泄漏的高压水的压力降低156 MPa,研制的超高压组合式柱塞密封装置在超高压泵排出压力为280 MPa的情况下使用寿命达到300 h左右。研究成果可为类似的超高压密封装置的设计提供借鉴。

为了增强浮动迷宫密封的浮起性能和适应转子径向跳动的能力,在主轴跑道的外表面增加了槽型结构,通过试验测量和CFD数值仿真研究不同压差、转速下不同开槽方式(无槽、直线槽与螺旋槽)对浮动迷宫密封泄漏特性和浮起性能的影响。结果表明:泄漏量随着压差的增大近似呈线性增长,直线槽浮动迷宫与螺旋槽浮动迷宫泄漏量数值计算值最大分别增加了16.1%和18.7%,试验值最大增加分别为14.5%和15.1%;直线槽与螺旋槽对浮动迷宫密封浮起力的影响相差不大,但是随着压差的逐渐增加,螺旋槽对浮起力的影响相较于直线槽而言会越来越大;随着转速的增加,3种密封结构的泄漏量和浮起力变化很小,而且直线槽与螺旋槽密封结构泄漏量和浮起力都大于无槽密封结构。

为提高迷宫密封仿真分析效率,基于功能需求及多种流体力学仿真平台的特点,选择COMSOL仿真平台开发参数化迷宫密封分析软件,利用流体力学建模工具和求解器实现流场建模仿真,利用APP开发器制作软件图形用户接口,在仿真平台中编写脚本代码实现对多种类型迷宫密封的参数化分析,最终高效率完成软件开发工作。测试结果表明,开发的分析软件使用方便、结果准确,能有效提升仿真效率。

以往轴向迷宫密封设计时多借鉴旋转迷宫密封的研究成果,而对于轴向迷宫密封,其内部流体变化形式存在较大区别。为探讨轴向迷宫密封流场分布和泄漏特性,对某型号迷宫压缩机活塞气缸部位采用的齿形轴向迷宫密封结构进行研究。建立该轴向迷宫密封结构的三维模型,对迷宫密封泄漏特性进行流固耦合分析,分析迷宫密封流体域内压力分布、流场分布及结构变形量的变化规律。结果表明:该轴向迷宫密封齿形结构的设计,能够有效地将流体压力能转换为湍动能,通过逐级能量损耗而实现密封;迷宫密封结构在入口处发生最大变形,流体出口处活塞气缸总变形量降低。将该轴向迷宫密封结构应用于压缩机进行实验测试,表明气缸与活塞之间的密封性能良好,为轴向迷宫密封的结构设计与应用提供理论支撑。