迷宫密封内流场的数值模拟和泄漏量研究

　　1　迷宫密封的作用和研究趋势

　　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。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。对于迷宫密封的试验测量存在较大的困难和测量误差。随着计算机技术的飞速发展和数值仿真技术的进步,数值模拟技术被广泛应用于迷宫密封研究。由于数值模拟技术能够可视化迷宫密封内的压力场和速度场,对于迷宫中的细观参数能够进行详细的分析,进而可以求得迷宫中的流体泄漏量,所以给迷宫的研究带来了很大的便利。国内外学者在这一方面作出了大量的研究〔1-3〕。文中利用数值模拟技术,对迷宫密封中的压力场和速度场进行研究,同时对于2种不同形式的迷宫进行研究,计算泄漏量,以评价2种迷宫密封的密封性能。

　　2　研究对象结构和模型分析

　　2.1　直通式迷宫密封结构

　　2种形式的直通式迷宫密封的结构形式和结构尺寸如图1所示。

　　尺寸如下:

　　间隙C= 0.2mm;齿隙L= 3.21mm;齿厚t=0.2mm;齿高H= 3.21mm;

　　静子上开槽尺寸:F= 1mm,E= 0.8mm,B=0.6mm。

　　2种迷宫密封的不同之处在于:第1种的迷宫密封的空腔为一个正规的矩形;而第2种在静子上开了一个斜台形槽。

　　2.2　湍流模型

　　迷宫密封内的流场为湍流场,对于迷宫密封中的湍流场采用RNGk-ε模型进行描述〔4〕,二维直角坐标系的流动方程统一形式为:

　　式中　Φ,ГΦ,SΦ的具体含义见表1,描述湍流作用的湍流动能和湍动能耗散率项分别见表1中的k和ε两项。

　　2.3　迷宫密封泄漏量模型

　　国内外学者对迷宫密封作了大量的研究,提出了许多迷宫密封泄漏量的计算方法〔1,5-8〕,但是绝大部分的计算方法只在一定的范围内有效,朱高涛〔3〕通过迭代拟合的方法推导出了1个通用性和精度较高的迷宫密封泄漏量模型,下文采用文献〔3〕中的模型进行泄漏量计算。模型公式如下:

　　对于直通型迷宫,γi取为:

　　在式(2)中,Gi表示泄漏量,A表示出口面积,k表示空气绝热指数,取值1.4。R是气体常数,Pi-1表示入口压力,T0表示气体温度,取值300K。

　　3　单腔室迷宫密封模拟研究