分別從泄漏量的計(jì)算方法、密封性能的影響因素以及迷宮密封內(nèi)部流場(chǎng)機(jī)理的研究等方面介紹了迷宮密封機(jī)理的研究現(xiàn)狀，并分析了目前研究中存在的不足，簡(jiǎn)要地探討了迷宮密封機(jī)理研究的發(fā)展方向。

1、迷宮密封的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　迷宮密封是依靠節(jié)流間隙中的節(jié)流過程(壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能)和密封空腔中的動(dòng)能耗散過程(動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能)實(shí)現(xiàn)密封。迷宮密封具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、離心式低溫泵等機(jī)械中，迷宮密封是透平機(jī)械中常用的密封元件。迷宮密封的動(dòng)力特性對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)和穩(wěn)定性有較大的影響，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為這是引起自激振動(dòng)的重要因素，也是大型透平機(jī)組發(fā)生失穩(wěn)的一個(gè)重要原因。

　　由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，為了減少泄漏損失，保持各腔室工作壓力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)行發(fā)動(dòng)機(jī)典型地在關(guān)鍵部位均采用迷宮密封，例如高壓壓氣機(jī)出口及渦輪導(dǎo)向器處。研究發(fā)動(dòng)機(jī)中的迷宮密封的密封機(jī)理對(duì)充分利用高的渦輪進(jìn)口溫度和高壓比的壓氣機(jī)，提高渦輪效率，減少燃油消耗量都有著重要的實(shí)用價(jià)值和意義。

　　采用迷宮密封的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)能夠完成潔凈氣體的壓縮和輸送，也可壓縮或輸送帶有微小固體顆粒的氣體，這種壓縮機(jī)氣缸與活塞密封機(jī)構(gòu)之間無磨損，工作可靠，然而氣體泄漏嚴(yán)重是其主要技術(shù)難題。迷宮式壓縮機(jī)屬于高技術(shù)產(chǎn)品，目前在世界上只有瑞士蘇爾壽(SULZER)公司等極少數(shù)廠家生產(chǎn)。我國(guó)在開發(fā)迷宮式壓縮機(jī)產(chǎn)品上，曾有過研究，但未能形成生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)石化工業(yè)所需的各種規(guī)格迷宮式壓縮機(jī)全部依靠進(jìn)口，其價(jià)格昂貴。

2、迷宮密封的研究現(xiàn)狀

　　近一個(gè)世紀(jì)以來，各國(guó)學(xué)者對(duì)迷宮密封做了廣泛而深入的研究，取得了大量有意義的成果。但其工作主要集中在迷宮密封泄漏量的計(jì)算及密封性能影響因素的分析上。所用的方法主要有熱力學(xué)分析的方法、計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值分析方法以及泄漏量測(cè)量和流動(dòng)顯示等實(shí)驗(yàn)研究方法。對(duì)迷宮密封的早期研究主要采用的是熱力學(xué)理論分析和實(shí)驗(yàn)方法。

　　20世紀(jì)70年代后，計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展使得人們對(duì)迷宮密封進(jìn)行了大量的數(shù)值研究，其數(shù)值計(jì)算的方法一般為有限差分法和有限元法。如:H. Sto ff采用了有限差分法首次數(shù)值計(jì)算了直通型迷宮密封中的不可壓縮流場(chǎng)，D. L. Rhode與J. A. Demko等也對(duì)不可壓縮的直通型迷宮密封進(jìn)行了數(shù)值研究。Rhode和Sobo lik 則首次數(shù)值模擬了迷宮密封內(nèi)的可壓縮流場(chǎng)。國(guó)內(nèi)魯周勛等也采用有限差分法和SIMPLEC 算法求解了直通型密封的軸對(duì)稱可壓縮流場(chǎng)，得到了單腔室迷宮內(nèi)流場(chǎng)的各流動(dòng)參數(shù)。

　　另外，計(jì)算流體力學(xué)軟件的出現(xiàn)也進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)值研究的發(fā)展。例如，美國(guó)NASA 研究中心使用由NERC 公司開發(fā)的二維多重網(wǎng)格軟件,對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的迷宮密封進(jìn)行了計(jì)算，并表示在以后的設(shè)計(jì)中將進(jìn)一步擴(kuò)大CFD 軟件的應(yīng)用來驗(yàn)證試驗(yàn)并進(jìn)行設(shè)計(jì)工作; 還有諸如STAR -CD、SC ISEAL、CFX - TASC f low 3D、ANSYS /FLOTRAN、FLUENT等軟件被用于對(duì)不同型式的迷宮密封進(jìn)行研究。

2.1、泄漏量的計(jì)算方法方面

　　有關(guān)迷宮密封泄漏量的計(jì)算主要是基于對(duì)流動(dòng)過程的熱力學(xué)分析、簡(jiǎn)化和假設(shè)，通過某些計(jì)算方法而得出計(jì)算泄漏量; 實(shí)際泄漏量則是通過/泄漏系數(shù)0修正計(jì)算泄漏量而得到的。目前，/泄漏系數(shù)0值一般都是由特定的實(shí)驗(yàn)測(cè)出或者采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

　　現(xiàn)有的迷宮密封泄漏量的計(jì)算方法很多，典型的有: M artine 計(jì)算方法、Stodala 計(jì)算方法、Eg li計(jì)算方法、Kearton 計(jì)算方法、Verms 計(jì)算方法等。在這些計(jì)算方法中，都是采用首先由熱力學(xué)的一些理想過程模型推導(dǎo)出的計(jì)算關(guān)系式,然后再用由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的流量系數(shù)進(jìn)行修正而得出泄漏量的值。這種研究方法其實(shí)是一種不涉及迷宮密封內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的黑箱方法。實(shí)際上，迷宮密封的宏觀密封性能，只是其內(nèi)部流動(dòng)和換熱本質(zhì)的具體表現(xiàn)而已，因此，求解迷宮密封內(nèi)部的流動(dòng)過程，是研究迷宮密封的根本出發(fā)點(diǎn),其有關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展、新型密封結(jié)構(gòu)的問世以及密封性能的改進(jìn)和提高，都必須依賴于對(duì)迷宮密封內(nèi)流動(dòng)本質(zhì)的深入理解，依賴于黑箱秘密的徹底揭開。

　　正因?yàn)闊崃�學(xué)方法計(jì)算泄漏量有一定的缺陷，一些文獻(xiàn)采用了數(shù)值方法來預(yù)報(bào)密封的泄漏特性，這方面以D. L. Rhode為代表的美國(guó)研究人員做了大量的工作。例如，他通過數(shù)值計(jì)算的方法得到了不同結(jié)構(gòu)迷宮密封的密封特性，即密封壓差隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況，從中確定出一種最優(yōu)結(jié)構(gòu)。H. A. E I- Gamal等人研究了不可壓縮流動(dòng)在靜止和旋轉(zhuǎn)情況下不同結(jié)構(gòu)迷宮的密封性能并指出: 不同迷宮結(jié)構(gòu)的密封性能隨空腔寬度與齒高的比率的增大而提高，但是隨著比率的增加，存在著性能好壞的差異，而且軸旋轉(zhuǎn)與否對(duì)不同結(jié)構(gòu)迷宮密封性能的影響不同。劉有軍等也采用有限元數(shù)值預(yù)報(bào)了徑向迷宮密封的泄漏特性。他研究了一種通過單腔室迷宮密封可壓縮流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到整體迷宮密封的泄漏特性的方法。

2.2、密封性能的影響因素

　　在迷宮密封性能影響因素的研究方面，由于影響因素很多，如總體結(jié)構(gòu)型式、節(jié)流間隙形狀、間隙尺寸、渦流空腔形狀、空腔尺寸、密封齒數(shù)、密封齒傾斜角度大小、介質(zhì)流向、溫度和壓力條件、介質(zhì)特性、偏心度、徑向密封時(shí)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)速度、軸向密封時(shí)軸的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)頻率等等，目前都是采用數(shù)值研究與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。

　　D. L. Rhode等以航天主發(fā)動(dòng)機(jī)為背景所開展的系列研究，詳細(xì)地探討了結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)不同形式迷宮密封性能的影響，大大加深了人們對(duì)迷宮通道內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)特性的認(rèn)識(shí)。研究表明，薄齒情況下，泄漏量受齒厚影響很小; 在小間隙寬度情況下，間隙效應(yīng)對(duì)泄漏量的影響較大;密封齒被磨損后會(huì)增加迷宮密封的泄漏量，關(guān)于這一方面的研究以前幾乎沒有。

　　S. W itting 等主要采用試驗(yàn)的方法研究了公差比例效應(yīng)等因素對(duì)迷宮密封性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)R e 和馬赫數(shù)Ma 與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸變化一樣，對(duì)迷宮密封的性能起重要影響。主要表現(xiàn)在: 隨著結(jié)構(gòu)尺寸比例的增大，迷宮密封的泄漏量增加; 隨著雷諾數(shù)R e和馬赫數(shù)Ma的增大,迷宮密封的泄漏量增加。另外，他還通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究了階梯型迷宮密封的傳熱特性。結(jié)果表明，迷宮密封結(jié)構(gòu)的變化對(duì)于換熱特性有較大的影響，在小間隙寬度時(shí)，定子的努謝爾數(shù)N u 高于轉(zhuǎn)子的努謝爾數(shù)Nu，而在大間隙寬度情況下則相反，即定子的努謝爾數(shù)N u 數(shù)低于轉(zhuǎn)子的努謝爾數(shù)Nu 數(shù)。

　　V. Schramm 等人提出采用一種將數(shù)值模擬與模擬退火算法相結(jié)合的方法來優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)中迷宮的密封結(jié)構(gòu)，這種方法可以同時(shí)考慮多種因素的影響，為人們進(jìn)一步研究迷宮密封的最佳結(jié)構(gòu)提供了方向。

　　黃守龍等應(yīng)用了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了直通型迷宮密封的空腔傾向、空腔形狀、空腔尺寸和介質(zhì)流向?qū)γ芊庑�率的影響。他指�? 隨著迷宮結(jié)構(gòu)出口進(jìn)口壓比的減小，泄漏量開始增加較快然后逐漸趨于一個(gè)定值; 其它結(jié)構(gòu)參數(shù)都不變時(shí)，泄漏量隨齒尖相對(duì)厚度的變化存在極小值，這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在厚齒情況下; 在一定范圍內(nèi)增加齒數(shù)可以降低泄漏量,但是超過某一齒數(shù)效果就不明顯了，即在給定的結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度下，存在使泄漏量最小的最佳齒數(shù)(或空腔寬度); 其它結(jié)構(gòu)參數(shù)都不變時(shí)，泄漏量隨著間隙與空腔寬度比例的增加而增加; 過分加深空腔并不能提高迷宮的密封性，存在最佳的空腔深寬比使得泄漏量最小; 斜齒的封嚴(yán)效果優(yōu)于直齒;齒尖朝向來流方向的密封效果優(yōu)于背向來流方向的密封效果。

　　王鎖芳等人通過對(duì)不同齒型的封嚴(yán)篦齒的動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了齒型結(jié)構(gòu)的微小變化對(duì)封嚴(yán)效果的影響。研究結(jié)果表明: 齒腔大小和齒腔形狀是決定篦齒封嚴(yán)效果的重要因素,并指出等腰梯形齒的密封特性優(yōu)于其它齒型。他還通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響，研究表明，在低轉(zhuǎn)速情況下,轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響很小。

2.3、迷宮密封內(nèi)部流場(chǎng)研究

　　在探索迷宮密封的機(jī)理上，各國(guó)的學(xué)者不遺余力，或采用數(shù)值研究，或運(yùn)用流動(dòng)顯示試驗(yàn)。D.L. Rhode等人在發(fā)表的大部分文章中數(shù)值計(jì)算了迷宮流場(chǎng)中各種物理量的分布情況 ，詳細(xì)闡明了流動(dòng)過程中的湍流流動(dòng)機(jī)理。

　　D. L. Rhode等采用流動(dòng)顯示試驗(yàn)測(cè)量了階梯形迷宮密封空腔內(nèi)的流體振蕩和流動(dòng)不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)對(duì)空腔內(nèi)的直流射流存在著流動(dòng)不穩(wěn)定性，包括一個(gè)分叉的流線譜; 他還通過試驗(yàn)，初步了解了迷宮通道內(nèi)連同自激振蕩一起發(fā)生的流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象。另外，他還在早期的文章中提出利用間隙處所發(fā)生的射流偏轉(zhuǎn)可用來增大間隙而不提高泄漏量。黃守龍針對(duì)直通型迷宮密封空腔深寬比和傾

　　向?qū)γ芊庑Ч�的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬了空腔內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化細(xì)節(jié)，展示了迷宮內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性及其對(duì)減小泄漏量的重要影響。從流動(dòng)不穩(wěn)定性角度進(jìn)一步揭示了迷宮密封機(jī)理。研究指出: 迷宮內(nèi)部流動(dòng)具有總體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定性和局部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性兩種特征，流動(dòng)的不穩(wěn)定性構(gòu)成了流動(dòng)的周期性振蕩，增加了能量耗散和流通阻力，對(duì)迷宮結(jié)構(gòu)減少泄漏起到重要作用。

　　劉有軍采用模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)鋸齒型徑向迷宮密封的密封機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明: 節(jié)流間隙中的射流偏轉(zhuǎn)和流束收縮，可以有效地降低間隙的實(shí)際流通面積，提高密封性能; 他還通過對(duì)一種鋸齒型迷宮密封的數(shù)值和試驗(yàn)研究，揭示了湍流慣性偏轉(zhuǎn)和射流收縮在湍流增阻中的作用。

3、存在的問題

　　( 1)所提出的泄漏量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式尚未能反映具體的流動(dòng)特征機(jī)理，未能從迷宮密封流動(dòng)特征機(jī)理入手去得出泄漏量計(jì)算式，即還沒有提出計(jì)算迷宮密封泄漏量的切實(shí)有效的精確算法;

　　( 2)所采取的研究方法還局限在熱力學(xué)理論或流體力學(xué)流動(dòng)分析的單一方面上，雖然這有助于加深人們對(duì)迷宮密封機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但它并不能完全解析迷宮通道的流動(dòng)和換熱機(jī)理;

　　( 3)目前所建立的計(jì)算模型還未反映出非穩(wěn)定因素在齒與齒之間的流場(chǎng)耦合中所起的作用,還沒有全面抓住迷宮密封在多數(shù)工況下所具有的多齒數(shù)、非穩(wěn)定和臨界的特點(diǎn)，這體現(xiàn)在建立的模型主要是針對(duì)單個(gè)齒腔、在計(jì)算中沒有考慮非穩(wěn)定因素的影響等方面。

4、研究方向

　　( 1)探討多齒數(shù)、非穩(wěn)定、臨界狀態(tài)下迷宮密封流場(chǎng)的高精度計(jì)算方法，主要解決高速可壓縮流場(chǎng)中流動(dòng)參數(shù)劇烈變化的有效捕捉和數(shù)值計(jì)算的精確與穩(wěn)定等關(guān)鍵問題。

　　( 2)建立多齒數(shù)、非穩(wěn)定、臨界狀態(tài)下軸向(或徑向)迷宮密封流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對(duì)整個(gè)密封性能起關(guān)鍵作用的流體特征(如渦運(yùn)動(dòng)、分離泡形成與發(fā)展、射流彎曲與沖擊等) ，進(jìn)而揭示迷宮密封內(nèi)氣體流動(dòng)特性與泄漏特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，并分析總體結(jié)構(gòu)型式、節(jié)流間隙形狀、間隙尺寸、渦流空腔形狀、空腔尺寸、密封齒數(shù)、密封齒傾斜角度大小等不同因素對(duì)密封性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上述影響因素的合理設(shè)計(jì)。

　　( 3)建立多齒數(shù)軸向迷宮密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行流動(dòng)顯示，并測(cè)量出工作狀態(tài)下各密封腔內(nèi)的溫度分布和壓力分布及實(shí)際泄漏量，驗(yàn)證和修正理論計(jì)算模型。

　　( 4)提出多齒數(shù)、非穩(wěn)定、臨界狀態(tài)下迷宮計(jì)算密封泄漏量的簡(jiǎn)單而又精確的計(jì)算方法或關(guān)系式。它將流體力學(xué)中流場(chǎng)數(shù)值模擬方法和熱力學(xué)中熱力過程分析方法相結(jié)合，得到密封泄漏系數(shù)和迷宮密封內(nèi)流動(dòng)過程的多變過程指數(shù)，從而用于密封泄漏量的簡(jiǎn)便、實(shí)用和精確計(jì)算，這與以往的僅從熱力學(xué)理論或流體流動(dòng)分析單方面進(jìn)行研究相比，更能從物理本質(zhì)上體現(xiàn)迷宮密封的泄漏特性。