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摘要：梳齿密封和蜂窝密封是离心压缩机常用的两种密封形式。本文通过数值模拟法，模拟了光滑密封、梳齿密封和蜂窝密封在同等条件下的流场情况，结果显示蜂窝密封有较好的切分、阻尼、涡旋、节流、热力学能耗散等效应，使得密封腔内的流体压力迅速下降，而且泄漏流体的动能得以高效地转化成热能，增大了能量耗散效应，减少了泄漏量，从而具有更好的密封特性。
关键词：数值模拟法；离心压缩机；梳齿密封；蜂窝密封
1、前言
在社会生产力不断发展的过程中，为了防止相邻结合面间的介质泄漏，以及外界杂质进入机器设备，发展了密封技术。目前离心压缩机以梳齿密封和蜂窝密封这两种形式的密封结构应用最为广泛。其中的梳齿密封较为经典，出现的时间较早，应用范围广泛，技术成熟，然而由于当今的透平机械正在不断追求着更高的运行效率，其泄漏量略大以及高压差下机组稳定性差的缺点也日益突出，为解决这些缺陷，蜂窝密封被开发出来。
2、密封工作机理
梳齿密封也称迷宫密封（labyrinth seal），如图2-1所示。这种密封方式最简单，最早用于透平机械中，之所以被广泛使用，主要原因是结构简单、设计制造使用均方便、工作性能上较为可靠。梳齿密封的密封机理是：通过多级密封腔，使得工质逐级节流膨胀而降压，另一方面，工质在密封空腔中动能耗散变为热能。但其存在着密封效果差、容易产生气流激振、密封齿容易产生磨损或倒伏等缺点制约着梳齿密封的应用范围。
图2-1 梳齿密封 图2-2 蜂窝密封
蜂窝密封正六边形的特殊结构和较小的薄壁厚度，可以产生特有的漩涡状切分流场，从而起到强大的阻滞和节流作用，实现热能的高效耗散。当气流通过蜂窝密封腔的壁面顶部尖端通道时，受无滑移边界条件的限制，将生成一个很薄的有旋边界层流动，而在逆压梯度的作用下，该边界层流动将发生分离，并在蜂窝腔流道后部的回流区域形成了旋涡，在旋涡的作用下，流体的动能有效地转变成了热能，这极大提高了能量耗散的效果[1-9]。
3、数值模拟法
当蜂窝密封或梳齿密封两端的压力差值与通过密封的流体泄漏量不随时间发生变化或变化很小的时候，可以将密封流道内的流动看作是三维的定常流动，这给该问题的分析带来了很大便利。万新超[10]曾用涡粘性模型（EVM）对湍流和雷诺应力进行数值模拟，在本文中，我们将采用涡粘性模型（EVM）。Boussinesq（1877）假定给出了湍流的简化描述手段，即，可以像描述层流运动的粘性剪切力一样来描述湍流的雷诺时均应力项：
4、测试结果与分析
4.1建立模型
图 4-1所示是基于Solidworks建模软件和Gambit网格剖分前处理软件所建立的光滑密封、梳齿密封和蜂窝密封的计算模型。密封间隙0.2mm，梳齿密封齿高4mm，齿距5mm，齿数6，所取蜂窝密封芯格尺寸为5mm，蜂窝深度4mm，蜂窝个数5个。流动介质设为空气，入口相对压力为0.05MPa，转速为6000 ，出口相对压力为0Pa。
5、结论
本文基于数值模拟，分析了三种不同密封模型的泄漏量，说明了蜂窝密封具有优异的密封效果，并着重研究了蜂窝密封流道内部的流动特性，从几何结构和气体能量耗散等方面分析了蜂窝密封具有高性能封严特性的原因，得到如下结论：
（1）蜂窝密封内部流动是典型的三维紊流；
（2）就同样的进气压力而言，在蜂窝密封、梳齿密封和光滑密封这三类密封结构中以蜂窝密封的泄漏量为最小。
（3）蜂窝密封有较好的切分、阻尼、涡旋、节流、热力学能耗散等效应，使得密封腔内的流体压力迅速下降，而且泄漏流体的动能得以高效地转化成热能，增大了能量耗散效应，减少了泄漏量，从而具有更好的密封特性。
参考文献
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论文作者:李晓刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：蜂窝论文; 梳齿论文; 数值论文; 热能论文; 流体论文; 特性论文; 动能论文; 《电力设备》2018年第2期论文;