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摘 要

本次研究主要是为了加深对于迷宫密封工作机理的认识，同时通过实验数据总结出提高迷宫密封密封性能和减弱汽流激振现象的方法，这对于汽轮发电机组内密封研究具有重要意义。

通过Gambit软件建立了直通式迷宫密封的二维以及三维结构模型，并划分了网格。运用FLUENT软件计算分析了二维结构模型，得出了压力分布云图和速度分布矢量图，验证了迷宫密封工作机理。同时，也分析了在齿隙、齿数、进出口压比变化条件下，密封性能的变化。同样也分析了在预旋速度、进出口压比变化条件下，密封动特性的变化。得出了以下结论：齿隙的增大、齿数的减少、压比的增大都会使得密封性能减弱，而预旋速度的增大、压比的增大则会使得稳定性减弱。但是，这并不能说明单一条件的变化可以起到绝对的作用效果。在实际工况中，我们应该考虑多种条件因素，选择最佳的设计参数才能保证密封性能和稳定性的最优。

关键词：迷宫密封；泄漏量；动特性；计算流体力学

Abstract

This study is mainly to deepen the understanding of the working mechanism of the labyrinth seal.At the same time, the method of improving the sealing performance of the labyrinth seal and the phenomenon of weakening the steam flow is summarized through the experimental data,this is of great significance for the study of internal combustion of turbo - generator sets.

I build a two-dimensional and three-dimensional structural model of a straight-through labyrinth seal through the Gambit software and divided the grid.The two-dimensional structure model is calculated and analyzed by FLUENT software, and the pressure distribution cloud and velocity distribution vector are obtained, and the working mechanism of labyrinth seal is verified.At the same time, also analyzed in the backlash, the number of teeth, import and export pressure ratio changes, the sealing performance changes.The changes in the dynamic characteristics of the seal are also analyzed under the condition of the prerotation speed and the inlet / outlet pressure ratio.The conclusion is that the increase of the backlash, the reduction of the number of teeth and the increase of the pressure ratio will make the sealing performance weaken, and the increase of the prerotation speed will increase the stability.However, this does not mean that changes in a single condition can play an absolute effect.In the actual conditions, we should consider a variety of conditions, select the best design parameters to ensure the best sealing performance and stability.

KEY WORDS: Labyrinth seal, Leakage,Dynamic characteristics,Computational Fluid Dynamics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及其意义 1

1.2 迷宫密封的简介 1

1.2.1 迷宫密封的工作机理 1

1.2.2 迷宫密封结构的类型 2

1.2.3 迷宫密封的特点 3

1.3 各类密封技术的介绍 3

1.3.1 蜂窝密封 3

1.3.2 刷式密封 4

1.4 迷宫密封的研究状况 4

1.4.1 迷宫密封的国外研究状况 4

1.4.2 迷宫密封的国内研究状况 5

1.5 主要工作内容 6

第二章 迷宫密封泄露特性的研究 7

2.1 模型的建立 7

2.1.1 迷宫密封泄漏量计算模型 7

2.1.2 迷宫密封数值计算模型的边界条件 8

2.2 迷宫密封结构网格的建立 9

2.2.1 网格的分类 9

2.2.2 Gambit简介 9

2.2.3 网格的具体划分 9

2.3 迷宫密封工作机理的研究 10

2.3.1 FLUENT软件简介 10

2.3.2 压力分布研究 10

2.3.3 速度分布研究 11

2.4 迷宫密封泄露特性的影响因素 11

2.4.1 压比对泄露特性的影响 11

2.4.2 齿隙对泄漏特性的影响 12

2.4.3 齿数对泄露特性的影响 13

2.5 本章小结 13

2.5.1 本章主要工作 13

2.5.2 本章结论 14

第三章 迷宫密封动特性的研究 15

3.1 迷宫密封汽流激振的机理 15

3.2 直通式迷宫密封三维结构模型的建立以及网格的划分 16

3.3 边界条件 17

3.4 直通式迷宫密封动特性CFD求解方法——MRF 17

3.5 直通式迷宫密封动特性影响因素 17

3.5.1 进出口压比对密封切向气流力的影响 18

3.5.2 流体预旋速度对密封切向气流力的影响 18

3.6 本章小结 19

3.6.1 本章主要工作 19

3.6.2 本章结论 19

第四章 总结与展望 20

4.1 总结 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及其意义

迷宫密封是工业生产中常用的一种密封形式。其常常被应用于汽轮机、压缩机、燃气轮机等透平机械的轴端密封。它具有结构简单、工作稳定的特点，并且能够适应于大部分的设计场合。气流在密封内的流场是一种较为复杂的三维流动，当由于转子偏心旋转磨损汽封或者汽封压力分布不均产生涡动时，密封腔内会产生作用于转子上的气流力，它会导致转子振动，从而导致轴系失稳。该种由于工作介质蒸汽诱发振动的现象即为汽流激振^[1]。

随着现代社会电力供给需求增大，汽轮机组必须朝着更高性能和更大容量的方向发展，这也使得汽流激振成为威胁机组安全运行的重要因素，我们也必须加强对于汽流激振方面的研究。早在上个世纪6、70年代，国内国外都发生过由于密封汽流激振而导致机组故障甚至停产的事故^[2]，我国引进的数台超临界汽轮发电机组、二十多台30kW汽轮机组以及200MW机组发生过汽流激振故障，美国、俄罗斯等国也在发展超临界机组过程中都遇到了各种各样的汽流激振故障。汽轮发电机组朝着超临界、超超临界发展是一个必然的趋势，因此汽流激振将是一个不可避免的问题。20世纪60年代，Alford^[3]就已经开始了对于密封汽流激振的研究，他提出了关于叶顶间隙激振的数学模型，称为Alford模型，该模型初步解释了汽流激振的生成机理。随后又有研究人员提出了Lomakin效应、三维流动等模型^[4-5]。这些模型有简单或是难以计算的缺点，近年来随着计算机技术的发展，对于密封的研究模型也得到简化，我们可以通过计算流体力学（CFD）来对密封内流场进行研究。

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