丁 軍 索雙富 張妙恬

(1.華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 河北廊坊 065201; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083；3.清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京 100084)

主氦風(fēng)機(jī)作為高溫氣冷堆核電站關(guān)鍵設(shè)備，安裝在一回路內(nèi)部蒸汽發(fā)生器輸出端，驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑在一回路內(nèi)循環(huán)[1]。由清華大學(xué)設(shè)計(jì)的立式氦風(fēng)機(jī)主軸的級(jí)間密封采用的是迷宮密封，軸端密封采用的是干氣密封，同時(shí)軸端密封還有迷宮密封作為輔助密封。軸端迷宮密封有2個(gè)方面的作用，一是防止軸承潤(rùn)滑油進(jìn)入密封環(huán)而污染干氣密封，另一方面是防止氦氣泄漏，而使氦氣順利進(jìn)入到氦氣回收系統(tǒng)。其工作最大壓力為0.8 MPa，常溫工況下，軸工作轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為4 400 r/min。迷宮密封是一種廣泛運(yùn)用在透平機(jī)械、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)中的非接觸式密封，是依靠節(jié)流間隙中的節(jié)流過(guò)程和密封空腔中的動(dòng)能耗散過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，其存在以下效應(yīng)：摩擦效應(yīng) 、收縮效應(yīng)、熱力學(xué)效應(yīng)和透氣效應(yīng)[2-4]。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員從多方面對(duì)迷宮密封泄漏特性進(jìn)行了研究，主要集中于密封總體結(jié)構(gòu)，節(jié)流齒的間隙大小，密封的齒數(shù)以及齒形和傾斜角等[5]。宋占寬等[6]通過(guò)CFD技術(shù)驗(yàn)證了迷宮密封在偏心率不變的情況下，密封泄漏量隨著節(jié)流間隙的增大而增加；密封泄漏量隨著壓比的增大而增加。鄭文斌等[7]為減少泄漏量，提出一種在直通型迷宮密封的密封齒前端和后端設(shè)立凹槽的密封結(jié)構(gòu)。李飛和趙斐[8]以錯(cuò)齒式迷宮密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,在4種不同壓比下，通過(guò)Fluent軟件研究間隙寬度和空腔深度對(duì)泄漏量的影響機(jī)制。GAMAL和VANCE[9]進(jìn)行了迷宮密封的試驗(yàn)研究，分析了偏心率對(duì)迷宮密封泄漏特性的影響。余焱群等[10]設(shè)計(jì)了海上平臺(tái)復(fù)合井口直通式迷宮密封裝置，基于流體動(dòng)力學(xué)理論建立了流體泄漏模型，詳細(xì)研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體泄漏量的影響，確定了密封本體結(jié)構(gòu)。張雨和張開(kāi)林[11]以直通式迷宮密封為研究對(duì)象，分析高速列車(chē)齒輪箱轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和箱體內(nèi)部溫度對(duì)迷宮密封性能的影響，結(jié)果表明在小半徑、低轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成的結(jié)構(gòu)離心變形對(duì)密封性能影響有限；在大半徑、高轉(zhuǎn)速情況下，需要考慮離心變形對(duì)密封間隙的影響；同時(shí)在工程應(yīng)用中，溫度造成轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)熱效應(yīng)膨脹變形不可忽略。孫丹等人[12]通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)研究了不同進(jìn)出口壓比下非金屬材料迷宮密封齒變形對(duì)密封性能的影響。徐文杰和王建文[13]對(duì)直通型、階梯型及交錯(cuò)型 3 種迷宮密封流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，研究其封嚴(yán)特性及動(dòng)力學(xué)特性，分析進(jìn)出口壓差、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)迷宮密封泄漏量及動(dòng)力學(xué)特性系數(shù)的影響。丁軍等人[14]通過(guò)數(shù)值模擬研究了直通型迷宮密封的間隙寬度和空腔深度對(duì)密封泄漏特性的影響，結(jié)果表明，泄漏量隨著間隙寬度的增加而增加；泄漏量隨著空腔深度的增加而增加。

考慮到對(duì)迷宮密封泄漏特性研究多以數(shù)值模擬為主，本文作者采用CFD技術(shù)和密封試驗(yàn)相結(jié)合，分析主氦風(fēng)機(jī)所用迷宮密封的齒寬、空腔寬度、出入口壓差和軸的轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏特性的影響，并利用建立的密封試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為主氦風(fēng)機(jī)的主密封和平衡密封輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 控制方程

文中所研究的迷宮密封內(nèi)部流場(chǎng)可采用定常過(guò)程進(jìn)行描述[15]?？紤]流動(dòng)介質(zhì)的黏性，則滿足定常、可壓縮、黏性的雷諾平均Navier-Stokes方程來(lái)描述流場(chǎng)，其中包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程。選用的湍流模型是基本的兩方程模型,即標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.2 邊界條件

壁面采用無(wú)滑移壁面條件， 工作介質(zhì)設(shè)為可壓縮空氣，環(huán)境溫度設(shè)為300 K，出口處的壓力為一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)口壓力0.3 MPa。

1.3 離散格式與求解算法

對(duì)流項(xiàng)采用的離散格式為二階迎風(fēng)格式，采用分離式求解法對(duì)離散方程進(jìn)行求解，壓力-速度耦合采用SIMPLEC 算法。

1.4 幾何模型

在建模過(guò)程中，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為齒寬Hc、空腔深度Vc、密封間隙Dc、空腔寬度H、齒數(shù)n(級(jí)數(shù))，選取級(jí)數(shù)n=4。初選的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，幾何模型如圖1所示。

圖1 迷宮密封內(nèi)部流場(chǎng)幾何模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 空腔寬度影響分析

通過(guò)FLUENT模擬得到空腔寬度分別為1.2、1.4、1.6、1.8以及2.0 mm下的泄漏量， 如圖2所示。可知，泄漏量隨著空腔寬度增大而減小。分析可能存在2個(gè)原因，一是因?yàn)楫?dāng)空腔寬度增大時(shí)，使整個(gè)空腔面積增大，使進(jìn)入迷宮密封空腔內(nèi)的流體增大，從而增大氣體的能量耗散，減少了泄漏量；二是空腔寬度增加，密封間隙長(zhǎng)度增加，而間隙增加的部分只有單側(cè)與密封軸接觸，另一側(cè)與空腔相連，這樣會(huì)使透氣效應(yīng)降低，會(huì)導(dǎo)致更多的流體進(jìn)入到空腔內(nèi)，形成更加復(fù)雜的紊流，最終導(dǎo)致泄漏量降低。

圖2 泄漏量隨空腔寬度變化

2.2 密封齒寬影響分析

通過(guò)FLUENT模擬分別得到齒寬為0.2、0.4、0.6、0.8以及1.0 mm下的泄漏量，泄漏量隨齒寬的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，泄漏量隨齒寬的增大而減小，分析產(chǎn)生的原因是隨著齒寬增加，導(dǎo)致空腔之間的間隙增大，流體在間隙內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間更久，會(huì)導(dǎo)致在空腔內(nèi)形成更強(qiáng)的渦流，增大能量的耗散，從而減小了泄漏量。但如果間隙總長(zhǎng)固定的情況下，齒寬過(guò)大會(huì)造成密封環(huán)的厚度增加，從而導(dǎo)致密封齒數(shù)減少，這樣反而會(huì)影響密封性能。

圖3 泄漏量隨齒寬變化

2.3 軸的轉(zhuǎn)速影響分析

迷宮密封屬于動(dòng)密封，一般都用于高轉(zhuǎn)速的工況下，所以研究轉(zhuǎn)速對(duì)迷宮密封泄漏特性的影響非常有必要。

分別選擇轉(zhuǎn)速為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min，通過(guò)FLUENT模擬得到不同轉(zhuǎn)速下的泄漏量，如圖4所示，可以看出，泄漏量隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，但變化量很小?？梢?jiàn)，在低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速對(duì)迷宮密封泄漏量的影響很小，分析產(chǎn)生的原因可能是，在轉(zhuǎn)速較低情況下，在齒尖的流體周向速度遠(yuǎn)小于節(jié)流間隙內(nèi)的氣體泄漏速度，所以對(duì)泄漏量的影響很小。但是隨著轉(zhuǎn)速的增加，泄漏量出現(xiàn)降低的原因可能是，一則旋轉(zhuǎn)使流體的流道成為螺旋線，這樣增大沿程摩擦阻力，二則旋轉(zhuǎn)的離心力使密封齒徑向膨脹，這樣也就會(huì)造成間隙寬度的減小。

圖4 泄漏量隨轉(zhuǎn)速變化

2.4 入口出口壓差影響分析

為了研究入口和出口壓差的影響，分別選擇壓力差為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa進(jìn)行模擬計(jì)算,得到不同壓差下的泄漏量，如圖5所示。

圖5 泄漏量隨壓差變化

由圖5可知，泄漏量隨壓差的增大而增大，且近似成正比關(guān)系。分析主要是因?yàn)殡S著進(jìn)口壓力增大，導(dǎo)致氣體在進(jìn)口間隙處的速度不斷增大，會(huì)造成進(jìn)入密封的氣體大量增多。雖然壓力增大會(huì)使進(jìn)入空腔內(nèi)流體的紊流強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致空腔內(nèi)氣體耗散量增大，起到降低泄漏的效果，但是由于氣體進(jìn)入密封時(shí)，經(jīng)過(guò)節(jié)流加速后，氣體出口速度會(huì)非常大，很大程度上增大氣體泄漏量，導(dǎo)致密封性能降低。

3 迷宮密封實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及密封件

文中采用的迷宮密封實(shí)驗(yàn)裝置主要由壓力容器、電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、壓力表、一個(gè)小型潤(rùn)滑系統(tǒng)、壓縮機(jī)和底座等組成,如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

按照表1選定的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)加工實(shí)驗(yàn)所用的迷宮密封件。零件如圖7所示。

圖7 迷宮密封密封件結(jié)構(gòu)

迷宮密封件固定在壓力容器上，電機(jī)軸和密封部分的軸是分別獨(dú)立的，由聯(lián)軸器將它們連接在一起。如圖8所示為迷宮密封件安裝位置。

圖8 迷宮密封件安裝位置

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)容器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)；打開(kāi)氣體入口電磁閥，調(diào)節(jié)控制閥，控制入口氣體壓力為0.3 MPa，分別設(shè)置電機(jī)軸轉(zhuǎn)速為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min，在5種轉(zhuǎn)速下通過(guò)出口的流量計(jì)測(cè)得壓力容器出口的流量。然后依次減小電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，再次測(cè)量5種轉(zhuǎn)速下容器出口流量，并取其平均值。然后停止電機(jī)，調(diào)節(jié)入口控制閥，控制壓差分別是0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa，測(cè)量5種壓差下壓力容器出口的流量；再通過(guò)調(diào)節(jié)控制閥依次減小入口壓力，再次測(cè)量容器出口的流量，并取其平均值。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置基本參數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

通過(guò)迷宮密封密封實(shí)驗(yàn)分別得到泄漏量隨軸轉(zhuǎn)速以及出入口壓差的變化，同時(shí)還給出了仿真值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，如圖9、10所示。可以看出，迷宮密封的泄漏量隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，但是變化量很小；隨著出入口壓差的增大，迷宮密封泄漏量也隨之增大，且兩者近似成正比關(guān)系。比較圖9、10中仿真值和實(shí)驗(yàn)值可知，仿真和實(shí)驗(yàn)得到的泄漏量整體變化趨勢(shì)是一致的，兩者誤差在6%～8% 之間，說(shuō)明所選取的數(shù)值計(jì)算方法上是可靠的，誤差產(chǎn)生的原因有可能是溫度、摩擦以及其他因素的影響。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下泄漏量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值

圖10 不同壓差下泄漏量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值

4 結(jié)論

以高溫氣冷堆主氦風(fēng)機(jī)級(jí)間的迷宮密封為研究對(duì)象，通過(guò)CFD數(shù)值技術(shù)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究4級(jí)直通式迷宮密封的泄漏特性，得到迷宮密封內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)尺寸以及外部工況條件下的泄漏量。分析了空腔寬度、齒寬、出入口壓差和軸的轉(zhuǎn)速對(duì)迷宮密封泄漏特性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)在一定的尺寸范圍內(nèi)，不同的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)泄漏量的影響程度不同，隨著空腔寬度的增加，泄漏量減小，隨著齒寬的增大，泄漏量減小。

(2)隨著進(jìn)出口壓差的增大，泄漏量增加明顯，且與壓差近似成正比關(guān)系；隨著轉(zhuǎn)速的增大，泄漏量減小，但是變化量比較小。

(3)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，誤差比較小，表明采用的數(shù)值模擬方法是可靠的。