化
工进展
Chemical Industry and Engineering Progress
2023 年第 42 卷第 4 期
王文昊1，何立东1，王学志2，闫泽2，贾兴运1，刘春瑞1
（1 北京化工大学 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029；
2
中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要：针对化工行业中透平机械运行过程中梳齿及蜂窝密封存在的偏心问题，本文搭建了高速旋转密封试验装置，通过试验真实还原化工行业高速旋转机械不同密封径向偏心和角向偏心工况，开展了不同径向与角向偏心状态下的不同结构密封的泄漏特性试验研究，揭示了偏心下梳齿密封、蜂窝密封及蜂窝-梳齿组合密封的封严机理，为化工透平
机械的梳齿密封与蜂窝密封的设计与优化提供理论支撑。本文主要对比了梳齿密封、蜂窝密封及蜂窝-梳齿组合密封在径向偏心与角向偏心工况下的泄漏特性。主要结果表明：蜂窝-梳齿结构在所有测试条件下泄漏率最大，但其对偏心的敏感程度最低，受偏心的影响程度最小；蜂窝-光轴结构在所有测试条件下泄漏率最小，可以有效阻碍气体流动；梳齿-光轴结构在所有测试条件下对偏心的敏感程度最高，受偏心的影响程度最大，体现出显著的不稳定性。
关键词：梳齿密封；蜂窝密封；泄漏特性；径向与角向偏心；流动
中图分类号：TB42 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）04-1698-10
Leakage characteristics of labyrinth, honeycomb and honeycomb-labyrinth seals under eccentric conditions
WANG Wenhao 1，HE Lidong 1，WANG Xuezhi 2，YAN Ze 2，JIA Xingyun 1，LIU Chunrui 1
(1 Ministry of Chemical Safety Education Engineering Research Centre, Beijing University of Chemical Technology, Beijing
100029, China; 2 No.703 Research Institute of CSIC, Harbin 150001, Heilongjiang, China)
Abstract: In view of the eccentricity problem of labyrinth seal and honeycomb seal in the operation of turbine machinery in the chemical industry, a high-speed rotating seal test device was established in this paper. Through the test, the radial and angular eccentricity conditions of different seals of high-speed rotating machinery in the chemical industry were truly restored, and the leakage characteristics of different structural seals under different radial and angular eccentricity conditions were studied. The sealing mechanism of labyrinth seal, honeycomb seal and honeycomb-labyrinth seal under eccentricity was revealed, which provided theoretical support for the design and optimization of labyrinth seal and honeycomb seal of chemical turbine machinery. This paper mainly compared the leakage characteristics of labyrinth seal, honeycomb seal and honeycomb-labyrinth combined seal under radial eccentricity and angular eccentricity. The main results showed that the honeycomb-labyrinth structure had the largest leakage under all test conditions, but the sensitivity to eccentricity was the lowest and the influence of
研究开发
DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1124
收稿日期：2022-06-15；修改稿日期：2022-07-17。基金项目：国家科技重大专项（2017-IV-0010-0
047）；北京市自然科学基金（3224066）。第一作者：王文昊（1998—），男，硕士研究生，研究方向为密封流体激振机理及抑制方法。E-mail ：。通信作者：何立东，研究员，博士生导师，研究方向为旋转机械与密封技术。E-mail ：。
引用本文：王文昊, 何立东, 王学志, 等. 偏心工况下梳齿、蜂窝与蜂窝-梳齿密封的泄漏特性[J]. 化工进展, 2023, 42(4): 1698-1707.
Citation ：WANG Wenhao, HE Lidong, WANG Xuezhi, et al. Leakage characteristics of labyrinth, honeycomb and honeycomb-labyrinth seals under eccentric conditions[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(4): 1698-1707.
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2023年4月王文昊等：偏心工况下梳齿、蜂窝与蜂窝-梳齿密封的泄漏特性eccentricity was the smallest. The honeycomb-smooth axis structure had the smallest leakage under all test conditions, which can effectively hinder the gas flow. The labyrinth-smooth axis structure had the highest sensitivity to eccentricity under all test conditions, and was most affected by eccentricity, which reflected the obvious instability.
Keywords: labyrinth seal; honeycomb seal; leakage characteristics; radial and angular eccentricity; flow
在化工、能源动力、航空航天等行业的现代透平机械中，蜂窝密封在减小密封间隙内的旋流速度发展[1]、保证操作过程中间隙配合紧密[2]等方面具有显著优势。先进的密封技术不仅有利于提高透平机械的气动性能，而且有利于提高整个系统的运行安全性[3-4]。蜂窝密封因其具有良好的封严性能与气动特性而广泛应用于现代涡轮机械许多涉及间隙的关键部位，如轴端、叶尖间隙、级间间隙等。与常规梳齿密封相比，它在泄漏控制[5]、转子动力学[1]以及传热改善[6]等方面都表现出了优异的性能。
随着高速透平旋转机械不断向高性能方向发展，密封的泄漏问题引起国内外学者的广泛关注。研究表明当旋转机械的工作参数提升之后，偏心转子引起的密封间隙流体泄漏问题越来越显著，已成为制约透平机械发展的难题之一。因此亟需对偏心工况下密封的密封特性进行深入研究[7]。
丁军等[8]通过CFD数值技术分析迷宫密封在不同出入口压差、轴转速、空腔宽度和齿宽下的流场和泄漏特性。顾承璟等[9]建立了倾斜齿迷宫密封三维数值模型，研究了倾斜齿迷宫密封的泄漏特性。结果表明，相比于直齿迷宫密封，前倾齿迷宫密封泄漏量明显偏低，而后倾齿迷宫密封泄漏量明显偏高。白禄等[10]分析了转/静子齿迷宫密封的泄漏特性，结果表明，转/静子齿迷宫密封的泄漏量均随压比的增加而增大，在12000~24000r/min转速下，随转速的增加而减小，且转子齿迷宫密封的泄漏量始终高
于静子齿迷宫密封。秦鹏博等[11]分析计算了不同偏心状态下迷宫密封静态和动态特性，结果表明，转子偏心会降低密封抑制流体泄漏的效果。宋占宽等[12]探究了偏置状态迷宫密封的泄漏特性，分析了不同间隙和压比对偏置迷宫密封泄漏特性的影响。孙婷梅等[13]分析了迷宫密封内部三维流场，讨论了偏心、转速、压差以及预旋对密封腔内转子表面周向压力分布的影响。贾兴运等[14-15]提出了一种
T型交错式迷宫密封，相比于直通型迷宫密封而言，其泄漏量显著降低。王庆峰等[16]基于CFD的数值计算和研究分析方法，探究了偏心对旋转直通式迷宫密封流场的影响规律。Schramm等[17]还观察到阶梯式密封的显著影响，特别是对于小间隙的泄漏会大大增加。
与光滑密封件或梳齿密封件相比，蜂窝密封/光滑转子环形阻尼气体密封提供更少的泄漏。从以前的工作中可以看出，蜂窝梳齿组合密封相较于梳齿密封泄漏率会增加。Stocker等[18]观察到蜂窝芯格对直通式密封泄漏有显著影响。Soulas等[19]提出了一种计算分析，用于预测偏心转子条件下蜂窝密封件的静态性能。李志刚等[20]、孙丹等[21]以及曹丽华等[22]利用商用CFD软件数值研究压比、蜂窝芯格直径、深度、转速、蜂窝壁厚、密封间隙等因素对蜂窝密封泄漏特性的影响，并在经典迷宫密封泄漏量
Egli计算公式的基础上，构造能够可靠预测蜂窝密封泄漏量的计算公式并进行数值验证。Nayak等[23]利用3D计算流体动力学方法探究了旋转对蜂窝-梳齿组合密封泄漏的影响。Choi等[24]开发了一种使用
二维计算流体动力学模型来近似计算蜂窝-梳齿组合密封三维流场的新方法。何振鹏等[25]在传统六边形蜂窝的基础上，改变其结构得到方形蜂窝和圆形蜂窝，数值研究了不同间隙、压比和转速下蜂窝结构对篦齿-蜂窝密封封严性能的影响。李军等[26-27]对蜂窝密封和迷宫密封的流动特性进行了数值研究，研究了一系列密封间隙、孔直径、孔深度、转速和压力比对迷宫式蜂窝密封泄漏率的影响规律，并表明所研究的迷宫式蜂窝密封在蜂窝孔直径等于迷宫台阶宽度的情况下具有最佳的密封性能。向新等[28]测量了7种压比和5种径向间隙下迷宫蜂窝密封的泄漏量，分析了压比、密封间隙，转速和蜂窝孔径对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响，并与光滑面迷宫密封进行了对比。杨兴辰等[29]研究了迷宫-蜂窝混合型密封在阻塞/非阻塞流动状态及不同偏心率下的泄漏特性，并与传统迷宫密封进行对比分析。
国内外多数学者对气体密封的研究主要集中在梳齿密封或蜂窝密封的泄漏特性与封严机理等数值方法研究，理论分析了偏心对梳齿密封泄漏率的影响。但在试验研究方面，始终无法模拟旋转机械真实工况下存在的复杂偏心情况，进而无法确定复杂
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偏心情况下密封的泄漏特性及其变化规律，无法掌握偏心工况下梳齿密封和蜂窝密封的泄漏机理。因此，本文通过总结实际工程中梳齿密封和蜂窝密封出现的偏心工况，搭建了具有径向及角向偏心调节机构的高速旋转气体密封试验装置，采用试验研究的方法揭示了不同偏心工况下梳齿密封与蜂窝密封的泄漏特性，定量分析了不同气体密封结构对不同偏心情况的敏感程度，完善了径向偏心和角向偏心工况下梳齿密封、蜂窝密封、蜂窝-梳齿组合密封的泄漏变化规律，为偏心下梳齿密封及蜂窝密封的泄漏特性研究做出有益补充，为未来透平机械蜂窝密封结构设计提供理论依据与试验支撑。
1 气体密封试验装置
本文搭建的高速旋转密封试验装置如图1所示。该装置动力系统拟采用先进的高速测功变频电机，可实现0~9000r/min转速调节，满足试验要求。电机采用空心轴，且两端为内锥结构。该气体密封试验装置可开展蜂窝密封、梳齿密封、蜂窝-梳齿组合密封泄漏特性试验研究。考虑初始定位基准和安装定位的可重复性，试验台腔体和电机壳体以止口连接。由于锥度定位具有自正性好、定位精度高的特点，故本试验装置的转轴与电机轴采用锥度定位，轴套与轴也采用锥度定位，可保证轴和轴套的同心度，方便更换和调整轴套，满足不同试验件的安装试验要求。
本文气体密封试验装置采用蜗轮蜗杆的静止环调整方案，适用于高速试验时的动态调整。静止件调整方案是在保证轴和轴套同心的情况下，通过调整外部静止件，人为制造出径向误差和角向误差。图2为
该试验装置的涡轮蜗杆调整机构三维图，该试验装置有一个密封架，通过止口，正确定位，是静止件调整的基础精度。密封架上开有圆柱形通孔，柱形腔（轴套、定位套、试验件均装于此中）装入密封架圆柱形通孔中，柱形腔的轴线与轴套、定位套、试验件轴线（试验主轴线）呈90°垂直布置。当柱形腔绕轴线顺时针或逆时针转动时，试验主轴线产生转角误差；当柱形腔沿轴线前后移动时，试验主轴线径向移动，产生径向误差。
由于调整均为微量级，对调整精度有很高的要求。试验装置中有两个手轮，各手轮调整采用差动原理，实现角向误差与径向误差的精确调整要求。两侧装有高精度径向位移传感器和角位移传感器，用来测量试验组件的角向安装误差和径向安装误差。此方案可实现不同角向误差与径向误差的连续调整，可操作性强。
图3展示了三种密封结构的几何形状。试验段为直通式密封。图3(a)为梳齿密封件，图3(b)为带有1.6mm芯格直径的蜂窝密封件，图3(c)为带有
3.2mm芯格直径的蜂窝密封件，图3(d)为光滑转轴试验件，图3(e)为梳齿转轴试验件。为保证流动的整体二维性，试验段的宽度设计为25mm。
图4提供了密封的各项参数含义。表1提供了测试密封件的详细尺寸，主要有密封直径d、密封间隙c、梳齿密封齿高或蜂窝芯格深度h、齿厚t、齿距P、蜂窝芯格宽度s、密封长度L等参数、梳齿密封的齿数
或蜂窝密封的芯格层数n。
图5给出了本文的高速旋转气体密封试验方案。用高精度智能涡街流量计测量供气管道的空气
流量。在试验段的入口处，用压力传感器测量压
图2
蜗轮蜗杆调整机构三维图图1 高速旋转密封试验装置
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2023年4月王文昊等：偏心工况下梳齿、蜂窝与蜂窝-梳齿密封的泄漏特性
力。空气来自储气罐的稳定气源，密封出口的空气被排放到周围环境中。改变试验段进口压力以改变空气流量和压力比。制作了三个不同的可拆卸静子
密封试验件以及两个不同的转轴（光滑转轴和梳齿转轴），以测试每个密封的泄漏性能。利用径向位移传感器（型号MWS50-11-4.0）和角位移传感器（型号BL50B-18R2-5V3E ）测量密封件的径向安装
误差和角向安装误差。本文试验转速范围为 0~7000r/min 。
2 结果与分析
考虑到真实转子在工作过程中可能存在偏心的
情况，本节在试验装置上通过蜗轮蜗杆调整机构来调节静子密封件，从而模拟不同密封结构径向偏心和角向偏心工况，分别在不同径向偏心位置和角向偏心位置上进行泄漏特性测量试验。图6展示了密
表1 密封结构参数
参数
密封直径d /mm 密封间隙c /mm 齿高/芯格深度h /mm 齿厚/芯格壁厚t /mm 齿距P /mm 芯格宽度s /mm 密封长度L /mm 齿数/芯格层数n
梳齿密封55
0.153.20.54.1—25.17 3.2mm 蜂窝密封
55
0.153.20.1—3.2248 1.6mm 蜂窝
密封
55旋转密封件
0.153.20.1—1.624
14图5
气体密封试验系统
图3
气体密封试验件
图4 密封结构参数示意图
d —密封直径；c —密封间隙；h —梳齿密封齿高或蜂窝芯格
深度；t —齿厚；P —齿距；s —蜂窝芯格宽度
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封件径向偏心与角向偏心示意，通过旋转调整机构的手轮，带动安装于柱形腔上连杆，产生扭矩，带动柱形腔顺时针或逆时针旋转，产生角度偏转。调整柱形腔沿轴线前后位置变化，实现试验件运转径向误差。
2.1 同心工况下不同密封结构泄漏性能对比
本节将不同密封结构的泄漏特性进行对比。由图7可以看出，各密封结构的泄漏率均随压力的增大而增大。在同心工况下，3.2mm 芯格的蜂窝密封泄漏率最小，1.6mm 芯格蜂窝-梳齿组合密封的泄漏率最大。1.6mm 蜂窝密封与3.2mm 蜂窝密封泄漏率相近，1.6mm 蜂窝-梳齿组合密封与3.2mm 蜂窝-梳齿组合密封泄漏率相近。蜂窝密封压力每增长1kPa ，泄漏率增长约0.22m 3/h ；梳齿密封压力每增
长1kPa ，泄漏率增长约0.26m 3/h ；蜂窝-梳齿组合密封压力每增长1kPa ，泄漏率增长约0.65m 3/h 。蜂窝密封随压力增长泄漏率变化率最小，梳齿密封随压力增长泄漏率变化次之，蜂窝-梳齿组合密封随
压力增长泄漏率变化率最大。
表2给出了各种密封类型的泄漏率变化率对比。在同心工况下，蜂窝密封的泄漏率比梳齿密封小15.7%~18.1%，蜂窝-梳齿组合密封比梳齿密封泄漏率高70.6%~74.7%。
对三种形式的密封进行流场分析，探究流体的
内部流动特性。如图8所示，在梳齿密封中，在齿顶与转子之间的间隙中，泄漏流扩大，导致其突然加速。当工作介质离开间隙时，它会流向位于梳齿之间的腔室，然后迅速减速和旋转，从而导致其动能的耗散。涡核位于每个腔室的中心。在间隙中，泄漏射流几乎平行于定子表面。在由多个彼此相邻放
置的梳齿组成的梳齿密封中，位于牙齿之间的每个连续腔室中的压力逐渐降低，且梳齿密封腔室中存在四角压力较高的现象，腔室内漩涡压力分布不均，能量耗散不充分。
在蜂窝密封中，轴向方向上压力从进口到出口逐渐减小，压力降主要发生在密封间隙处。在轴向上最小密封间隙的上游[即图9(a)中的红区域]的
压力最大，最小密封间隙的下游即[即图9(a)中的蓝区域]压力较小。从流线图可以看出流体除了沿轴向向外流动外，还在蜂窝芯格内形成了漩涡流
表2 密封结构对泄漏特性的影响
密封类型
梳齿密封-光轴（原型）1.6mm 蜂窝密封-光滑轴3.2mm 蜂窝密封-光滑轴
1.6mm 蜂窝-梳齿组合密封3.2mm 蜂窝-梳齿组合密封泄漏率
/m 3·h -13.643.072.986.216.36
相对梳齿密封的泄漏率
变化率/%
—-15.7-18.170.6
74.7
图8
梳齿密封流场
图6 密封件偏心示意图
泄漏率/m 3·h -1
压力/kPa
图7 不同气体密封结构泄漏率对比
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