高壓液氧渦輪泵孔型/蜂窩阻尼密封的設(shè)計

毛 凱，李昌奐，張 聃，安 康

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

離心輪前、后凸肩泄漏量占泵內(nèi)泄漏量的主要部分，目前國內(nèi)外常用的密封方法有兩種，一種是采用浮動環(huán)密封方案，此種方案可通過設(shè)置較小的密封間隙來獲取較低的泄漏量，但研究中發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)對泵運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求較高；另外一種為固定的密封方案，在密封環(huán)或者葉輪凸肩表面設(shè)置多個迷宮型密封齒來降低泄漏量，但此種結(jié)構(gòu)間隙較大，泵容積效率一般較低。因此，為了提高封嚴(yán)性能，必須采用更先進(jìn)的密封形式。

孔型/蜂窩阻尼密封由于具有優(yōu)良的封嚴(yán)性能和阻尼性能，已廣泛應(yīng)用于壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪、汽輪機(jī)等氣體工質(zhì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的試驗和數(shù)值研究，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力和進(jìn)口預(yù)旋等不同因素對密封泄漏特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明氣體工質(zhì)孔型阻尼密封和蜂窩阻尼密封具有相近的、優(yōu)于傳統(tǒng)迷宮密封的封嚴(yán)性能和阻尼穩(wěn)定性能。但通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于液體介質(zhì)，尤其是高壓力差結(jié)構(gòu)中，蜂窩密封的應(yīng)用非常少，也無成熟的研究結(jié)論可以直接采用?？刹榈降睦ッ骼砉ご髮W(xué)王文全以兩平行平板間的蜂窩密封結(jié)構(gòu)為研究對象，采用數(shù)值方法得到了不同蜂窩半徑和深度下蜂窩結(jié)構(gòu)與之相對應(yīng)的梳齒密封結(jié)構(gòu)的泄漏量，結(jié)果表明：蜂窩結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的梳齒結(jié)構(gòu)具有更好的密封性能；流體從間隙進(jìn)入蜂窩內(nèi)腔后產(chǎn)生了很強(qiáng)的漩渦而耗散部分動能，這種作用對降壓節(jié)流起到主要作用。在液體泵的領(lǐng)域，僅有上海凱士比泵有限公司付子龍將蜂窩式密封環(huán)應(yīng)用于大功率、高轉(zhuǎn)速鍋爐給水泵上，并對其加工制造方法進(jìn)行了研究探索，采用特殊的電火花腐蝕工藝實現(xiàn)。最終相比于光滑式表面，蜂窩式密封結(jié)構(gòu)將其泄漏量從2.5%降低至1%，試驗測得泵效率能夠提供1.1個百分點。Jolly等實驗測量了不同轉(zhuǎn)速下，水工質(zhì)孔型阻尼密封的泄漏特性和轉(zhuǎn)子動力特性，并與光滑密封進(jìn)行了比較。研究表明相比于光滑面密封，孔型阻尼密封具有優(yōu)良的封嚴(yán)性能和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

本文針對某火箭發(fā)動機(jī)中高壓液氧渦輪泵離心輪的前、后凸肩動密封，采用孔型/蜂窩阻尼密封代替原始迷宮密封方案，并開展密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和封嚴(yán)性能分析研究。研究了孔深、孔徑對液氧孔型/蜂窩阻尼密封泄漏特性的影響規(guī)律，并與迷宮密封的封嚴(yán)性能進(jìn)行了比較。

1 孔型/蜂窩阻尼密封設(shè)計方案

圖1給出了某型火箭發(fā)動機(jī)高壓液氧渦輪泵局部結(jié)構(gòu)示意圖。其為典型帶誘導(dǎo)輪的單級、高壓離心泵結(jié)構(gòu)。工作過程中為了減小離心輪前、后凸肩處液氧泄漏量，以獲取較高的泵容積效率，在離心輪前、后密封環(huán)上設(shè)計了傳統(tǒng)的固定式迷宮密封結(jié)構(gòu)。表1給出了離心輪前、后凸肩動密封的主要尺寸。原始迷宮密封結(jié)構(gòu)是在離心輪前、后密封環(huán)內(nèi)孔表面設(shè)置了6排迷宮密封齒結(jié)構(gòu)。渦輪泵全三維流場分析表明該迷宮密封存在泄漏量偏大、氣流激振顯著的問題。

本文針對圖1所示渦輪泵離心輪前、后凸肩原始迷宮密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用先進(jìn)的孔型/蜂窩阻尼密封進(jìn)行代替原始迷宮密封，達(dá)到減小離心輪前、后凸肩處動靜間隙泄漏量和抑制液流激振的目的。

圖1 液氧渦輪泵局部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of the liquid oxygen turbine pump

表1 前、后凸肩動密封裝配尺寸

為了保證與原迷宮密封方案的可比性，以及符合動密封裝配尺寸要求，孔型/蜂窩阻尼方案設(shè)計保證表1所示的密封裝配尺寸不變。為了保證密封環(huán)的加工工藝性及其在液氧環(huán)境中的安全性，結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了一定的約束限制?？仔兔芊獬叽鐫M足：孔徑

D

≥0.3 mm、深徑比

H

/

D

≤5、最小壁厚

B

≥0.5 mm；蜂窩密封尺寸應(yīng)滿足內(nèi)切圓直徑

D

≥0.4 mm，深徑比

H

/

D

≤4、最小壁厚

B

≥0.5 mm。

圖2給出了孔型阻尼密封和蜂窩阻尼密封三維結(jié)構(gòu)圖。受前、后凸肩動密封軸向和周向裝配尺寸的限制，隨孔型/蜂窩阻尼密封孔徑的增大，軸向和周向能夠布置的孔排數(shù)目減小?？讖?jīng)Q定了孔型/蜂窩阻尼密封的耗散空腔數(shù)目，而孔徑和孔深共同決定了耗散空腔的形狀，進(jìn)而影響密封的封嚴(yán)性能。已有研究結(jié)果表明孔徑和孔深是孔型/蜂窩阻尼密封泄漏特性的關(guān)鍵影響因素。因此，本文選取孔徑和孔深作為密封設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。表2給出了不同孔型/蜂窩密封方案的孔徑、孔深和孔數(shù)目等結(jié)構(gòu)參數(shù)。前、后凸肩密封具有相同的軸向長度和不同的周向長度(半徑不同)，因此相同孔徑下，二者具有相同的軸向孔排數(shù)和不同的周向孔排數(shù)。

圖2 孔型/蜂窩阻尼密封Fig.2 Hole-pattern/honeycomb seal

表2 孔型密封孔腔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計算模型和數(shù)值方法

2.1 計算模型

圖3給出了迷宮密封、孔型阻尼密封和蜂窩阻尼密封3種密封方案的網(wǎng)格模型。采用三維造型軟件UG生成3種密封流體域的三維計算模型，然后采用ICEM軟件生成密封流體域的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？紤]到密封結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)周期性，為減小計算量，迷宮密封計算域選取5°的弧段，孔型密封和蜂窩密封選取兩排孔腔弧段，周向2個側(cè)面采用周期性邊界條件。為保證進(jìn)出口均勻邊界條件，密封計算域增加了進(jìn)出口延伸段。采用O型網(wǎng)格對每個密封環(huán)形腔(迷宮密封)、圓柱孔腔(孔型密封)和六面體孔腔(蜂窩密封)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，并對近壁面邊界層(>15)加密，滿足y的要求，密封間隙沿徑向布置了20～25個節(jié)點。不同孔徑、孔深下的孔型/蜂窩密封采用了72萬～175萬的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)。

圖3 迷宮、孔型和蜂窩密封三維計算網(wǎng)格Fig.3 Computational meshes of labyrinth seal, hole-pattern seal and honeycomb seal

2.2 數(shù)值計算方法

基于商用軟件ANSYS CFX，采用定常求解RANS方程的數(shù)值方法，計算分析了孔徑、孔深對孔型/蜂窩密封的泄漏特性的影響規(guī)律，并與迷宮密封進(jìn)行了比較。表3給出了具體的數(shù)值計算方法和邊界條件。工質(zhì)采為低溫液態(tài)氧；進(jìn)口給定總壓，流動方向垂直進(jìn)口邊界，湍流度取5%；出口給定平均靜壓。湍流模型選用

k

-

ε

兩方程模型，近壁面采用壁面函數(shù)法求解。連續(xù)方程、動量方程的均方根殘差小于10數(shù)量級，進(jìn)出口流量不平衡度小于0.1%時，認(rèn)為計算收斂。進(jìn)出口壓力邊界條件通過液氧渦輪泵額定工況下全三維流場數(shù)值計算獲得。

表3 數(shù)值方法和邊界條件

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值方法驗證

目前文獻(xiàn)中缺少針對液氧工質(zhì)孔型/蜂窩阻尼密封泄漏量的實驗數(shù)據(jù)，本文選用Jolly等的不同轉(zhuǎn)速下，水工質(zhì)(水和液氧均為不可壓縮流體，具有相近的流動特性)孔型阻尼密封泄漏量的實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值方法進(jìn)行校核。圖4給出了不同轉(zhuǎn)速下，水工質(zhì)孔型阻尼密封泄漏量的實驗值和數(shù)值預(yù)測結(jié)果。各轉(zhuǎn)速下，密封泄漏量數(shù)值預(yù)測誤差小于5%，與實驗結(jié)果吻合良好。因此本文數(shù)值方法能夠可靠預(yù)測液相孔型/蜂窩密封的泄漏特性。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下，水工質(zhì)孔型密封泄漏量Fig.4 Leakage flow rates of water-fed hole-pattern seal at different rotational speeds

3.2 孔深對孔型密封泄漏特性的影響

圖5給出了不同孔徑下，前凸肩孔型密封的泄漏量隨孔深的變化曲線。

圖5 不同孔徑下前凸肩孔型密封泄漏量隨孔深變化曲線Fig.5 Leakage flow rate versus hole depth for the front shoulder seal at different hole diameter

如圖5所示，在孔徑

D

=0.3～1.4范圍內(nèi)，孔徑越大，孔型密封的泄漏量越小。不同孔徑下，孔型密封泄漏量隨孔深變化呈現(xiàn)相同趨勢：隨孔深增加，孔型密封泄漏量先逐漸減小，并在深徑比

H

/

D

= 0.5附近達(dá)到泄漏量最小值，然后再增加最后逐漸下降并趨于恒定值。圖5中，孔徑1.4 mm的A和B孔型密封周向孔數(shù)目分別為120個和128個，其中B孔型密封泄漏量更小?？梢?，增加周向孔排數(shù)能夠提高孔型密封封嚴(yán)性能。因此，可以得出結(jié)論：不同孔徑下，液氧孔型阻尼密封均具有最優(yōu)的深徑比

H

/

D

=0.5使泄漏量最??；相同孔徑下，周向孔排數(shù)越多，孔型密封封嚴(yán)性能越好。后凸肩計算結(jié)果與前凸肩結(jié)果基本一致，文中不再贅述。圖6給出了孔徑

D

=1.4 mm時，不同孔深下，孔型密封孔腔子午面速度流線分布。如圖6所示，隨孔深增加，腔室內(nèi)的渦流結(jié)構(gòu)從單渦核結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹纳⒆饔酶鼜?qiáng)的多渦核結(jié)構(gòu)，隨著孔深進(jìn)一步增加，又重新變?yōu)閱螠u核結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔型密封泄漏量隨孔深增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

圖6 不同孔深下，孔型密封孔腔子午面流線分布Fig.6 Streamline distributions on the meridian plane of the hole cavity at different hole depths

3.3 孔徑對孔型密封泄漏特性的影響

圖7給出了最佳徑深比

H

/

D

=0.5下，前凸肩孔型密封的泄漏量隨孔徑的變化曲線。如圖7所示，隨孔徑增大，孔型密封泄漏量先減小，并在孔徑

D

=1.4附近達(dá)到泄漏量最小值，然后再增大。需要說明的是：隨孔徑

D

的增大，軸向和周向孔排數(shù)均減小，即孔型密封的耗散腔數(shù)目減小，總體密封腔耗散作用減弱；同時，隨孔徑

D

的增大，孔腔上下游間隙距離增大，流體動能輸運系數(shù)減小，單個密封腔耗散作用增強(qiáng)。增大孔徑

D

使單個密封腔的耗散作用增強(qiáng)，但減少了密封腔數(shù)目，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏量先減小后增大。因此，可以得出結(jié)論：有限的動密封軸向尺寸下，液氧孔型阻尼密封存在最佳孔徑

D

(本文中最佳孔徑

D

=1.4 mm)使泄漏量最小。后凸肩計算結(jié)果與前凸肩結(jié)果基本一致，文中不再贅述。

圖7 最佳深徑比H/D=0.5下，前凸肩孔型密封泄漏量隨孔徑的變化曲線Fig.7 Leakage flow rate versus hole diameter of the font shoulder hole-pattern seal with the optimum ratio of hole-depth to diameter

3.4 迷宮、孔型和蜂窩密封性能比較

根據(jù)孔型密封的孔徑、孔深對泄漏量的影響規(guī)律，可知孔型密封最佳孔腔尺寸為

D

=1.4 mm，

H

/

D

=0.5。據(jù)此，本文設(shè)計了六面體芯格內(nèi)切圓直徑

D

=1.2 mm、芯格深度

H

=0.6 mm和

D

=1.4 mm，

H

=0.7 mm的兩種蜂窩密封方案，并與迷宮密封、孔型密封進(jìn)行了封嚴(yán)性能對比。表4給出了最佳孔型密封方案和蜂窩密封方案的孔腔尺寸。

表4 孔型和蜂窩密封方案孔腔尺寸

圖8和圖9分別給出了前、后凸肩動密封的3種密封方案泄漏量計算結(jié)果。所設(shè)計的孔型密封和蜂窩密封方案具有相近的封嚴(yán)性能，均能顯著減小原始迷宮密封的泄漏量；相比于原始迷宮密封，所設(shè)計的孔型/蜂窩阻尼密封使前、后凸肩動密封泄漏量分別減小了約19%和21%。

圖8 前凸肩動密封的迷宮、孔型和蜂窩密封方案泄漏量比較Fig.8 Leakage flow rates of labyrinth seal, hole-pattern seal and honeycomb seal for the front shoulder seal

圖9 后凸肩動密封的迷宮、孔型和蜂窩密封方案泄漏量比較Fig.9 Leakage flow rates of labyrinth seal, hole-pattern seal and honeycomb seal for the rear shoulder seal

圖10給出了不同密封方案孔腔子午面的速度流線分布。由圖可以看出，相對于迷宮密封的單渦核結(jié)構(gòu)，孔型密封、蜂窩型密封均是雙渦核渦流結(jié)構(gòu)，渦流耗散作用更強(qiáng)，因此泄漏量更低。

圖10 迷宮、孔型和蜂窩密封孔腔子午面流線分布Fig.10 Streamline distributions on the meridian plane of the labyrinth seal, hole-pattern seal and honeycomb seal

4 結(jié)論

針對某型火箭發(fā)動機(jī)高壓液氧渦輪泵離心輪的前、后凸肩動密封，設(shè)計了孔型/蜂窩阻尼密封代替原始迷宮密封方案，并對孔徑、孔深等密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，數(shù)值分析了孔深、孔徑對液氧孔型阻尼密封、蜂窩阻尼密封泄漏特性的影響規(guī)律，并與迷宮密封的封嚴(yán)性能進(jìn)行了比較。綜合以上數(shù)值計算結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1)不同孔徑下，液氧孔型/蜂窩阻尼密封均具有最優(yōu)的深徑比

H

/

D

=0.5、

H

/

D

=0.5使泄漏量最??；相同孔徑下，周向孔排數(shù)越多，孔型/蜂窩密封封嚴(yán)性能越好。2)有限的動密封軸向尺寸下，液氧孔型/孔型阻尼密封泄漏量隨孔徑先增大后減小，存在最佳孔徑

D

(本文中最佳孔徑

D

=1.4 mm)使泄漏量最小。

3)相比于原始迷宮密封，優(yōu)化設(shè)計的孔型/蜂窩密封使渦輪泵離心輪前、后凸肩密封泄漏量分別減小了約19%和21%。