不同迷宫密封空腔齿型对比

吕忠阳，巴 鹏

（沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159）

不同迷宫密封空腔齿型对比

吕忠阳，巴 鹏

（沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159）

0 引言

到目前为止，各国学者对官迷宫密封做了大量的试验理论模拟研究分析，从迷宫机理到影响密封及泄露的因素，得出了大量可应用于实践的理论成果。在迷宫压缩机方面，不外乎活塞与气缸的间隙和其相接触处的空腔。而且迷宫压缩机中其相对运动为径向的，活塞与气缸的相对空腔也在不断的变化，在不同的速度下应有一理想的齿形，使理论上泄露量最小甚至没有[1～5]。

目前，迷宫密封的空腔齿形总体上可分为五类，分别是：1）斜齿，代表齿形为平行四边形，主要影响因素为倾斜角度。2）矩形（包含梯形和三角形）主要影响因素为内倾角，长宽比。3）圆弧形（包含圆弧构成的类圆），主要影响因素为多大的半圆，即深度大小。4）椭圆（包含各种圆弧构成的类椭圆），主要影响因素为倾角。5）三角形，主要影响因素为其宽度和顶角。所以在空腔齿型方面，可总结为，影响迷宫密封的主要因素为：齿形、倾角和大小。本文针对上述常见空腔形状及其特征，基于6K-375往复式活塞压缩机，逐一讨论分析了各个空腔形状下的最佳尺寸比例，并在各个空腔形状的最佳尺寸比例下，对比它们的泄露量，得出最佳空腔形状及其最佳尺寸。

1 不同空腔齿形下模型的建立

在分析不同空腔齿型对迷宫密封和泄露量的影响时，其他条件均相同，仅考虑齿型变化对流场和泄露量的影响。在此画出各空腔形状下的最佳空腔尺寸。矩形的的最佳深宽比通过w=2mm，h从0.2mm～2mm依次算出其泄露量，分析得出最佳比为0.2左右；而圆弧是在w=2mm时，用r=2mm的圆弧画出不同深度的圆弧凹槽，通过对比发现空腔为规则圆弧形时，空腔为整圆的一半时密封性最好；三角形是在，从凹角为10到90，得出在三角形空腔下，凹角为30左右时泄露量最小。而不规则圆形在某些特定尺寸及大小下有较好效果。选用空腔数量为20个，空腔间隔为0.2mm。模型具体参数为：

图1 各空腔形状下的最佳齿形

2 控制方程

密封间隙及密封腔内的流体流动形式实际上是一种复杂的三维湍流过程，因此三维模型的数学模型可采用压缩流对称流动的雷诺平均Navier-Stokes方程以及k-ε湍流模型进行数值模拟。

在求解密封空腔内流体过程中，将质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程采用通用变量的方法进行求解，则可表示成以下通式：

对于各轴方向上的动量表达方程：

选取标准壁面函数模型，湍流耗散率方程为：

湍流动能生成项为：

3 仿真计算及结果分析

本文选用Gambit作为前置处理器，Fluent为求解器。基于GAMBIT软件与常用的计算机制图软件都有导入导出接口，在此通过AUTOCAD软件进行建模，然后导入其中实现交接，进而快速的进行建模及网格的划分。网格划分时选择有限体积法，并设定划分的网格中只有三角形单元，创建非结构性网格类型。在迷宫密封内压力、粘度等数据变化梯度较大，为较真实地模拟其变化规律，对迷宫间隙处的线进行线网格加密，而且GAMBIT具有良好的网格自适应性，使得解算过程更接近实际流动，网格数量控制在14746到38782之间。

FLUENT中的边界条件选用压力入口边界条件，设置壁面（Wall）边界单元类型，并定义驻点总压为303975pa，外界压力为101325pa，驻点总温为300k。基于压缩机迷宫密封内气体流动可近似的认为是不可压缩的气体，且进出口压比不大，流动速度也不大，因此仿真求解器选用FLUENT当中的压力基求解器。收敛精度设置为10-4。

从上图可以看出，在最优的空腔齿型下，可以看出在空腔内部的湍流粘度较大，在矩形和半圆内部很是明显，三角形的内部湍流粘度相比不是太大，而且内部湍流粘度较大区域分布也不是太广，而不规则弧形则很理想，湍流粘度大的部位均在凹槽中间，且下周围壁面有明显的间隔——湍流粘度较小的区域。湍流粘度较大说明能量耗散较多，从其最后的泄露量上也都有所反应。

图2 空腔齿型的湍流粘度云图

图3 各空腔齿型的速度矢量云图

上图为模拟工作中各空腔内流体的速度矢量云图，各个空腔内部均有速度涡流。在矩形、半圆和三角形中，节流间隙处流动截面小，气流产生射流现象，流速增大，压力能转化为动能，当气体进入凹腔内部时，由于空腔流动截面较大，气体流速降低，在空腔内部形成大的旋涡。由于节流作用和密封齿腔内的动能耗散作用，从而降低压力，达到密封作用。而在不规则弧形空腔中，在节流间隙处并没有明显的射流现象，说明此处速度较小，压力能较大，到了空腔内部时速度较大，形成大的涡流，转化为热量，最后压力能较小，这样逐级压力能、动能和热能来回转变，达到一种很理想的情况。仿真出其结果的泄露量由大到小对比也是，三角形、矩形、半圆、不规则圆弧形。

由于模型的节流缝隙宽度很小，符合“粗糙间隙”理论。故将仿真得到的数据与经验理论计算得到的数值相比对。

表1 各种空腔齿型泄露量对比

由上表中各齿形下最优的结果可知，矩形和半圆的相差很小，但是圆弧形空腔在实际生产中不易加工生产，相比矩形和三角形更容易实现，实际中常用的是三角形，由此生产加工也可考虑用矩形，密封性更好。

4 结论

1）对于各种空腔齿型，在某一具体的参数下（如同一宽度下），都有一最优的尺寸比例，使得泄露量最小。矩形是在深宽比为0.2时，规则的圆弧形是在空腔为整个半圆弧时最好，三角形是在凹角为30时泄露量最小，而不规则弧形时目前为上述尺寸时最好。

2）结合实际情况，也为实际加工生产提供了理论依据，除了目前常用的三角形，还可以用深度比为0.2的矩形齿形，密封效果要比三角形更好。各种常见形状里，泄露量从小到大为：半圆、矩形、三角形。

3）在各种空腔齿型对比过程中，发现不规则弧形可以有最小的泄露量，最好的密封性，虽然这只是理论分析，但也为实际做好理论准备。也从另一个侧面证实了通过用软件模拟仿真得出结果并理论分析验证进而推测更好齿型的方法有很高效的用途。

[1]姚瑶,巴鹏,张秀珩,等.齿型对双侧迷宫密封性能的影响[J].润滑与密封,2013,(10):64-68.

[2]巴鹏,林茂,陈道亮,等.密封间隙对迷宫密封性能影响的三维数值分析[J].润滑与密封,2012,(10):82-86.

[3]王建中,黄守龙.直通式迷宫密封的静态工作特性[J].武汉工业大学学报,1994,(4):86-90.

[4]巴鹏,李旭,任希文,等.基于FLUENT技术的迷宫密封泄漏量分析[J].沈阳理工大学学报,2011,30(2):8-11.

[5]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(02).

[6]林丽,刘卫华.基于FLUENT的迷宫密封机理研究[J].中国机械工程,2007,9(18):2184-2186.

[7]Stoff H. Incompressible Flow in a Labyrinth Seal[J].Journal of Fluid Mechanics, 1980,100(4):817-829.

The contrast of different labyrinth cavity tooth form

LV Zhong-yang, BA Peng

针对迷宫密封影响最大的是空腔齿型，通过控制变量类比法，结合CFD软件分析和理论方法，找出各种空腔齿形下的最优尺寸比例，使密封性最好，并对比发现最佳空腔齿形。三角形是在凹角为30时密封性最好，矩形是在深宽比为0.2时泄露量最小，规则圆弧形是在空腔为整个半圆时最好。而在各种齿型中，密封性最好的是不规则齿型，具体参数见正文。结合各种齿型下的最优尺寸比例和现实生产情况，得出矩形齿形可以成为比当前常用三角形齿型更好的齿型。

迷宫密封；空腔齿型；压缩机

吕忠阳（1989 -），男，硕士研究生，研究方向为往复式压缩机的迷宫密封。

TH457

A

1009-0134(2015)12(上)-0013-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.04

2015-08-06