液氧渦輪泵新型螺旋阻尼密封泄漏特性研究

動(dòng)密封被廣泛應(yīng)用于葉輪機(jī)械中,以減小泄漏、提高效率和轉(zhuǎn)子的動(dòng)力穩(wěn)定性。在液氧渦輪泵中,動(dòng)密封在高壓、低溫推進(jìn)劑下的工作條件

更為苛刻。由于離心輪凸肩密封在渦輪泵中承受最大的壓降和旋流速度,液氧渦輪泵的主要工質(zhì)泄漏來自于離心輪前后的凸肩間隙。采用先進(jìn)的動(dòng)密封技術(shù)有效地控制離心輪凸肩密封的泄漏量和流體激振力,對(duì)渦輪泵的運(yùn)行效率、軸系穩(wěn)定和深度變推力具有重要作用

。

農(nóng)業(yè)科研單位作為財(cái)政對(duì)農(nóng)業(yè)科研投入的重要載體，研究農(nóng)業(yè)科研項(xiàng)目績效評(píng)價(jià)具有十分重要意義。通?？冃гu(píng)價(jià)的主體包括財(cái)政部門、科研主管部門和項(xiàng)目實(shí)施單位。其中項(xiàng)目實(shí)施單位是基層的評(píng)價(jià)主體，也是直接負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)科研項(xiàng)目的實(shí)施單位，對(duì)于農(nóng)業(yè)科研項(xiàng)目的績效評(píng)價(jià)起到重要作用，因此筆者側(cè)重從項(xiàng)目實(shí)施單位角度，探討農(nóng)業(yè)科研項(xiàng)目績效評(píng)價(jià)問題。

目前火箭渦輪泵中常用的動(dòng)密封技術(shù)包括迷宮密封、唇式密封、浮環(huán)密封和機(jī)械密封等密封形式及它們的組合。迷宮密封由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、對(duì)熱和壓差變化具有較大容差等優(yōu)點(diǎn),在火箭渦輪泵中應(yīng)用最為廣泛。然而,實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究表明:迷宮密封在有效控制泄漏流動(dòng)的同時(shí),會(huì)在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生顯著的流體激振力,易誘發(fā)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)

。隨著火箭渦輪泵向高壓力、高轉(zhuǎn)速、深度變推力方向發(fā)展,迷宮密封介質(zhì)壓力、密度逐漸增大,密封間隙逐漸減小,密封流體激振力已成為渦輪泵超臨界柔性轉(zhuǎn)子渦動(dòng)失穩(wěn)的重要激勵(lì)源。

采用阻尼密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)迷宮密封,可增大軸系阻尼、改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性,目前典型的阻尼密封結(jié)構(gòu)包括孔型阻尼密封、蜂窩阻尼密封和袋型阻尼密封。與傳統(tǒng)的迷宮密封相比,阻尼密封具有更好的封嚴(yán)性能和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。傳統(tǒng)迷宮密封和阻尼密封的泄漏量對(duì)轉(zhuǎn)速變化不敏感,隨進(jìn)出口壓差的增大而線性增大,不能滿足火箭渦輪泵深度變推力(壓差、轉(zhuǎn)速顯著變化)運(yùn)行對(duì)離心輪凸肩間隙高效封嚴(yán)的需求。

1.1 一般資料 對(duì) 2008年1月至 2017年12月在海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）長征醫(yī)院及上海國際醫(yī)學(xué)中心接受甲狀腺結(jié)節(jié)微波消融治療的2 857例患者（共 3 480 枚結(jié)節(jié)）進(jìn)行隨訪，其中男 1 012例、女 1 845例，年齡為 15～62 歲，中位年齡為 43 歲。微波消融病例選擇標(biāo)準(zhǔn)：（1）良性結(jié)節(jié)，如頸部明顯隆凸表現(xiàn)、頸部壓迫感明顯、高功能腺瘤；（2）惡性結(jié)節(jié)，如局限在甲狀腺包膜內(nèi)的分化型甲狀腺癌。本研究通過海軍軍醫(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）長征醫(yī)院和上海國際醫(yī)學(xué)中心倫理委員會(huì)審批。

螺旋密封的泄漏量對(duì)轉(zhuǎn)速變化非常敏感,轉(zhuǎn)速越高,泄漏量越小。這被解釋為類似于螺桿泵的“泵送效應(yīng)”:流體工質(zhì)被螺旋槽泵送回密封進(jìn)口以抵消一部分壓差驅(qū)動(dòng)的間隙泄漏;轉(zhuǎn)速越高,螺旋槽泵送能力越強(qiáng),泄漏量越小。Kanki等

首先實(shí)驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)子、靜子表面和轉(zhuǎn)/靜兩面均帶有螺旋槽的3種螺旋密封的靜、動(dòng)態(tài)特性,實(shí)驗(yàn)表明,螺旋槽密封在液體旋轉(zhuǎn)機(jī)械中具有優(yōu)良的封嚴(yán)性能,特別是在高速下;轉(zhuǎn)/靜兩面均帶有螺旋槽的雙螺旋密封具有更優(yōu)的封嚴(yán)性能。Childs等

實(shí)驗(yàn)研究了螺旋角

對(duì)螺旋密封泄漏特性的影響,研究表明,

越大,螺旋密封泄漏量隨轉(zhuǎn)速增加而減小的速度更快。Watson等

實(shí)驗(yàn)表明,在高壓差和高轉(zhuǎn)速條件下,較大的螺旋角(

=15°～30°)可以獲得更優(yōu)的封嚴(yán)性能;由于螺旋密封的封嚴(yán)性能依賴于“泵送效應(yīng)”,在低轉(zhuǎn)速下封嚴(yán)性能較差,甚至不如光滑平面密封或其他傳統(tǒng)密封。Li等

的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果表明,螺旋密封的動(dòng)力特性系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化顯著,有效阻尼隨轉(zhuǎn)速的增大而顯著減小,高轉(zhuǎn)速下負(fù)的有效阻尼極易誘發(fā)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)失穩(wěn)。

針對(duì)上述傳統(tǒng)密封形式的優(yōu)缺點(diǎn),一些學(xué)者開始關(guān)注組合型密封。Wisher等

提出了一種具有迷宮槽靜子面(LGS)和螺旋槽轉(zhuǎn)子面(GR)的組合密封(LGS/GR),研究表明,水工質(zhì)下,組合密封LGS/GR比轉(zhuǎn)子面有螺旋槽的螺旋密封(SS/GR)的泄漏量減少了45.3%。Li等

提出了孔型靜子面/螺旋槽轉(zhuǎn)子面(HPS/GR)和袋型靜子面和螺旋槽轉(zhuǎn)子面(PDS/GR)的兩種組合密封,以水為工質(zhì),研究了兩種組合密封在大壓差(25 MPa)和不同轉(zhuǎn)速(0.5×10

～8.0×10

r/min)下的泄漏特性和轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性,結(jié)果表明,孔型靜子面/螺旋槽轉(zhuǎn)子面的組合密封(HPS/GR)的泄漏量最小,有效阻尼最高,尤其是在高轉(zhuǎn)速下,有效阻尼隨轉(zhuǎn)速的增加而明顯增大。

基于上述新型組合密封在高壓差、高轉(zhuǎn)速、高預(yù)旋等復(fù)雜變工況下的應(yīng)用潛力,本文針對(duì)葉輪凸肩密封的封嚴(yán)性能優(yōu)化方案,提出了一種孔型靜子面與螺旋槽轉(zhuǎn)子面組合的新型螺旋阻尼密封,同時(shí)提出了一種“雙進(jìn)口邊界”數(shù)值計(jì)算模型來模擬高壓力和高預(yù)旋速度工況。本文以某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際深度變推力運(yùn)行時(shí),液氧渦輪泵的6種變負(fù)載工況(23%～108%負(fù)載率)作為邊界條件,在2種進(jìn)口預(yù)旋比(

為0、0.75)時(shí),計(jì)算分析了新型螺旋阻尼密封的泄漏量、流場結(jié)構(gòu)和密封間隙內(nèi)周向旋流速度分布,并與迷宮密封、孔型阻尼密封、雙螺旋密封等3種傳統(tǒng)動(dòng)密封進(jìn)行了比較研究。

1 計(jì)算模型

針對(duì)某液氧渦輪泵葉輪前凸肩密封結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了迷宮密封、孔型密封和雙螺旋密封,并發(fā)明了一種與孔型和雙螺旋密封具有相同孔、槽幾何尺寸的孔型靜子面/螺旋槽轉(zhuǎn)子面的新型螺旋阻尼密封,具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖2給出了3種常規(guī)密封(迷宮、孔型、雙螺旋密封)和新型螺旋阻尼密封的三維計(jì)算模型和網(wǎng)格。圖3給出了孔腔和螺旋槽的幾何排布、尺寸參數(shù)示意圖。4種密封結(jié)構(gòu)具有相同的密封長度、直徑和徑向間隙。表1給出了4種密封結(jié)構(gòu)的詳細(xì)裝配、幾何尺寸。為保證研究具有可對(duì)比性,新型螺旋阻尼密封具有與孔型密封和雙螺旋密封完全相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的靜子面孔腔尺寸和排布、轉(zhuǎn)子面螺旋槽和密封間隙。螺旋槽幾何參數(shù)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[19-20]中的槽寬、槽深、棱寬、螺旋角等參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

圖5給出了孔型密封和螺旋密封的泄漏量隨轉(zhuǎn)速變化的數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在一定的進(jìn)出口壓差下,兩種動(dòng)密封的泄漏量均隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低,變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致?？仔兔芊庑孤┝款A(yù)測誤差為2%～9%,螺旋密封在294 kPa壓差工況下的泄漏量預(yù)測誤差為5%～9%,在1 000 kPa壓差工況下的泄漏量預(yù)測誤差為4%～7%。結(jié)果表明,兩種密封形式的數(shù)值預(yù)測結(jié)果偏差均低于10%,該數(shù)值預(yù)測方法在變壓差、變轉(zhuǎn)速工況下均能獲得良好的預(yù)測精度。因此,本文采用的動(dòng)密封泄漏特性數(shù)值預(yù)測方法對(duì)孔型密封和螺旋密封的泄漏量具有可靠的預(yù)測精度。

二十世紀(jì)六十年代初的一天凌晨，幾百名警衛(wèi)在柏林勃蘭登堡門的分界線上各就各位，一道橫貫東德和西德的冰冷墻壁隔絕了人們的交往。1984年，藝術(shù)家特里·諾爾趁守衛(wèi)不注意，偷偷在灰白的柏林墻上涂鴉，開啟了柏林墻的彩色生涯。十幾年里，特里·諾爾和其他藝術(shù)家用長達(dá)一公里的涂鴉把柏林墻變成了藝術(shù)品，寄托了人們美好的愿望。冷戰(zhàn)結(jié)束后，柏林墻被推倒，但在藝術(shù)家們的奔走下，涂鴉的部分被保留下來，這就是著名的“東邊畫廊”。

本文基于網(wǎng)格劃分軟件Ansys ICEM 18.0對(duì)密封計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,對(duì)迷宮和孔型密封腔室采用O網(wǎng)格進(jìn)行邊界層網(wǎng)格加密。4種密封的密封間隙均設(shè)置20個(gè)以上節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格具有良好的網(wǎng)格質(zhì)量,在所有工況條件下主體計(jì)算域的最大

值均小于200,滿足湍流模型的計(jì)算要求。

2 數(shù)值方法與驗(yàn)證

表2、表3分別給出了本文計(jì)算中液氧渦輪泵變負(fù)載運(yùn)行工況下的前凸肩密封運(yùn)行參數(shù)和采用的數(shù)值方法,兩種進(jìn)口預(yù)旋比

為0、0.75?；谏虡I(yè)軟件Ansys CFX 18.0,以低溫液氧為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。針對(duì)液氧渦輪泵離心輪凸肩密封大壓差、高旋流的工況,本文提出了一種具有真實(shí)進(jìn)口和旁路出口的“雙進(jìn)口邊界”模型。設(shè)置計(jì)算域旁路出口靜壓模擬密封進(jìn)口壓力邊界,設(shè)置計(jì)算域進(jìn)口徑向和切向速度模擬密封入口高預(yù)旋速度邊界。這種雙進(jìn)口模型能夠?qū)崿F(xiàn)耦合控制密封入口的壓力和速度邊界條件,適用于高旋流、高壓力的動(dòng)密封進(jìn)口工況模擬。

‘七七事變’后，國民政府收攏沿海的臺(tái)籍人士，以‘關(guān)懷’為名，將散居在閩南沿海一帶的四百多名臺(tái)胞強(qiáng)行遷往閩北的崇安山區(qū)，成立了‘臺(tái)民墾殖所’集中管理。

對(duì)于具有光滑轉(zhuǎn)子面的迷宮和孔型密封,采用旋轉(zhuǎn)壁面轉(zhuǎn)速來模擬轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),整個(gè)計(jì)算域?yàn)殪o止域。對(duì)于雙螺旋和螺旋阻尼密封,轉(zhuǎn)子表面具有螺旋槽結(jié)構(gòu),是不光滑的非回轉(zhuǎn)面,本文基于多重坐標(biāo)系法,將動(dòng)密封計(jì)算域分為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)域(轉(zhuǎn)子螺旋槽)和靜止坐標(biāo)系下的靜止域(靜子螺旋槽/孔腔),采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面來模擬靜止域和旋轉(zhuǎn)域之間的流體耦合流動(dòng)。當(dāng)均方根殘差均小于10

,密封泄漏量監(jiān)測值每百步變化率低于0.1%,且進(jìn)出口質(zhì)量流量不平衡度小于0.1%時(shí),認(rèn)為該計(jì)算收斂。渦輪泵負(fù)載率

的定義為

與AHP方案不同的是，AHT方案中外界輸入熱量進(jìn)入蒸發(fā)器和發(fā)生器。故而，與AHP方案中采用相同的分析思路，必須保證蒸發(fā)器和發(fā)生器的換熱效率。同時(shí)，本方案中吸收器和冷凝器的換熱效果可通過平衡換熱面積與鍋爐給水（冷卻水）流速來實(shí)現(xiàn)。

甲狀旁腺正確辨認(rèn)后其血供的保護(hù)是至關(guān)重要的。目前研究表明甲狀腺全切術(shù)后暫時(shí)性甲狀旁腺功能減退可能與甲狀旁腺的血供障礙有關(guān)，因此推薦精細(xì)被膜解剖法。需要警惕的是，部分保留血供的甲狀旁腺仍可因靜脈回流障礙造成其淤血、壞死。對(duì)表面血管擴(kuò)張、淤血明顯者，需予以切除行I期自體移植。朱精強(qiáng)[10]強(qiáng)調(diào)對(duì)于A3型(完全位于甲狀腺組織內(nèi))甲狀旁腺及嚴(yán)重缺血、游離的甲狀旁腺，自體移植是最后的彌補(bǔ)方法。

(1)

式中:

為轉(zhuǎn)速;

為設(shè)計(jì)工況2下的額定轉(zhuǎn)速。

為保證網(wǎng)格無關(guān)性,選用本文研究的孔型密封計(jì)算模型,生成網(wǎng)格數(shù)為23～119萬的4套疏密不同的網(wǎng)格,在設(shè)計(jì)工況2下,以泄漏量為指標(biāo),檢驗(yàn)網(wǎng)格無關(guān)性。網(wǎng)格加密按照

、

、

這3個(gè)方向同比例增加節(jié)點(diǎn)數(shù)的方式。圖4給出了孔型密封泄漏量隨網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)變化曲線。由圖4可知,當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)大于51萬時(shí),網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)增加引起的泄漏量預(yù)測值相對(duì)變化率約0.1%,對(duì)密封泄漏量的數(shù)值預(yù)測影響幾乎可以忽略,認(rèn)為此時(shí)已達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)要求。迷宮、雙螺旋和螺旋阻尼密封計(jì)算模型均參照該網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行加密,最終的周期性模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)是:迷宮密封36萬,孔型密封51萬,雙螺旋密封73萬,螺旋阻尼密封105萬。

高壓超低溫液氧工質(zhì)動(dòng)密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)測試?yán)щy,目前無公開發(fā)表的液氧動(dòng)密封泄漏量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文利用Jolly等

的孔型阻尼密封實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚇agai等

的螺旋密封(靜子面螺旋槽和光滑轉(zhuǎn)子面)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以水為工質(zhì),驗(yàn)證了動(dòng)密封泄漏量數(shù)值預(yù)測方法的準(zhǔn)確性。由于液氧和水都具有較強(qiáng)的不可壓縮性,液氧渦輪泵常采用水壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證泵的水力性能,本文認(rèn)為用水工質(zhì)動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證液氧動(dòng)密封數(shù)值方法是合理的。為了保證驗(yàn)證的可信性,數(shù)值驗(yàn)證的模型幾何參數(shù)和運(yùn)行條件與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致。

本文采用三維造型軟件UG進(jìn)行動(dòng)密封計(jì)算域造型,考慮到動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)周期性,為方便網(wǎng)格劃分并減小計(jì)算量,迷宮密封計(jì)算域選取5°的弧段,孔型密封選取了兩排孔腔弧段,根據(jù)周向孔排數(shù)選取5°弧段作為計(jì)算域。雙螺旋和螺旋阻尼密封根據(jù)螺紋頭數(shù)選取10°的周期弧段。兩側(cè)周期面均采用旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。為保證進(jìn)、出口均勻邊界的合理性,密封計(jì)算域的進(jìn)出口均分別適當(dāng)設(shè)有延伸段。

3 結(jié)果與討論

本文對(duì)4種動(dòng)密封方案的泄漏特性、流場結(jié)構(gòu)和旋流速度分布進(jìn)行了分析比較,通過對(duì)靜子面孔腔和轉(zhuǎn)子面螺旋槽的子午面上速度流線和泵送速度的分析,闡明了各動(dòng)密封封嚴(yán)性能差異的原因和新型螺旋阻尼密封的封嚴(yán)機(jī)理。

3.1 泄漏特性

圖6給出了當(dāng)進(jìn)口預(yù)旋比

為0.75時(shí)(實(shí)際運(yùn)行的渦輪泵離心輪前凸肩密封進(jìn)口預(yù)旋比為0.60～0.80),4種動(dòng)密封方案的泄漏量隨負(fù)載率變化曲線(

=23%,31%,54%,77%,100%,108%)。由圖6可知,4種動(dòng)密封方案的泄漏量均隨負(fù)載率的增大而增加,這主要是由于負(fù)載率的增加伴隨著壓差的增大。雙螺旋和螺旋阻尼密封泄漏量隨負(fù)載的增長速率明顯低于迷宮和孔型密封,這主要由于轉(zhuǎn)速的增加(螺旋槽“泵送效應(yīng)”增強(qiáng))對(duì)兩種轉(zhuǎn)子面帶螺旋槽的密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)性能起到了增強(qiáng)作用。高負(fù)載工況(高壓差、高轉(zhuǎn)速)下,雙螺旋和螺旋阻尼密封在封嚴(yán)性能上優(yōu)勢更明顯。

在公路項(xiàng)目建設(shè)過程中，會(huì)用到各種各樣的機(jī)械設(shè)備，而機(jī)械設(shè)備的配置與維護(hù)方式是否妥當(dāng)，直接影響到建設(shè)工程的順利開展。工程機(jī)械設(shè)備配置以及維護(hù)管理對(duì)于工程施工質(zhì)量產(chǎn)生的影響很大，因此在施工過程中必須按照工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，做好機(jī)械設(shè)備的配置以及維護(hù)管理工作，從而保證公路工程的建設(shè)水平達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

文獻(xiàn)[7-8]證明:傳統(tǒng)螺旋密封的封嚴(yán)性能在很大程度上取決于葉輪機(jī)械的運(yùn)行轉(zhuǎn)速,在低轉(zhuǎn)速下封嚴(yán)性能較差。由圖6可知,在低轉(zhuǎn)速(9 000、12 000 r/min)的工況5、工況6下,雙螺旋密封的泄漏量與孔型密封非常接近,分別僅比孔型密封降低了10%和9.4%,而在工況1～4下,泄漏量降低了22%～28%,這主要是由于較低的轉(zhuǎn)速(弱“泵送效應(yīng)”)會(huì)削弱雙螺旋密封的封嚴(yán)性能。

460 Surgical treatment of intracerebral hemorrhage in uremia patients undergoing dialysis

總體而言,4種動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)性能優(yōu)劣依次為螺旋阻尼密封、雙螺旋密封、孔型密封、迷宮密封。在6種變負(fù)載工況下,螺旋阻尼密封的泄漏量分別比迷宮、孔型和雙螺旋密封降低了33%～44%、25%～36%、9%～18%。設(shè)計(jì)工況下(工況2,

=100%),相比3種常規(guī)密封的減幅分別為42%、33.7%、12%。結(jié)果表明,螺旋阻尼密封在所有負(fù)載工況(

=23%～108%)下的泄漏量都最低,且與雙螺旋密封相比,螺旋阻尼密封的封嚴(yán)性能對(duì)轉(zhuǎn)速的敏感度更低,即使在低轉(zhuǎn)速下也能保持最低的泄漏量。因此,新型螺旋阻尼密封具有最佳的封嚴(yán)性能和優(yōu)良的變工況(變壓差、變轉(zhuǎn)速)適應(yīng)能力。

圖6、圖7中垂直方向箭頭的右端給出了當(dāng)負(fù)載率從23%增大到108%時(shí),4種動(dòng)密封泄漏量的絕對(duì)變化量。螺旋阻尼密封由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)變推力(渦輪泵變負(fù)載)引起的泄漏量變化量最小,當(dāng)

=0時(shí),相比迷宮、孔型、雙螺旋密封的變化量分別減小了45%、40%、29%;當(dāng)

=0.75時(shí),分別減小了48%、40%、8%。新型螺旋阻尼密封由于進(jìn)口預(yù)旋(

=0～0.75)引起的泄漏量絕對(duì)值變化最大為0.04 kg/s,相對(duì)變化量為2.7%,相比孔型阻尼密封和雙螺旋密封的最大相對(duì)變化量減小了50%、88%。

圖7給出了當(dāng)進(jìn)口預(yù)旋比

=0時(shí)(在動(dòng)密封上游安裝防旋板或反向射流器等止旋裝置可有效抑制密封進(jìn)口旋流),4種動(dòng)密封方案的泄漏量隨負(fù)載率變化曲線。由圖6、圖7可知,在本文計(jì)算的變負(fù)載工況下,迷宮密封的泄漏量隨進(jìn)口預(yù)旋比的增加幾乎不變,孔型、雙螺旋和螺旋阻尼密封都因進(jìn)口預(yù)旋比的增大而不同程度地減小。當(dāng)進(jìn)口預(yù)旋比

=0.75時(shí),相比無預(yù)旋情況,孔型、雙螺旋和螺旋阻尼密封的泄漏量分別降低了0.9%～5.3%、10%～22%、0.05%～2.7%,可知雙螺旋密封泄漏特性對(duì)進(jìn)口預(yù)旋極其敏感,進(jìn)口止旋裝置會(huì)導(dǎo)致雙螺旋密封泄漏量顯著增大,而新型螺旋阻尼密封泄漏特性對(duì)進(jìn)口預(yù)旋變化不敏感,可忽略進(jìn)口預(yù)旋的影響。

資料顯示，軍莊鎮(zhèn)的地層主要為古生界的奧陶系和石炭系、二疊系，在奧陶系與石炭、二疊系之間存在平行不整合接觸關(guān)系，向斜構(gòu)造明顯[4]，其中石炭系、二疊系地層單位均是以本地區(qū)地名命名[5]，巖層中植物化石豐富[6-7].

綜上所述,新型螺旋阻尼密封各工況下均具有最佳的封嚴(yán)性能,且其泄漏量對(duì)于壓差、轉(zhuǎn)速、進(jìn)口預(yù)旋等工況條件變化的敏感性最低,具有優(yōu)良的變工況適應(yīng)能力,能夠滿足液氧渦輪泵深度變推力下的封嚴(yán)需求,是一種理想的液氧渦輪泵離心輪凸肩密封結(jié)構(gòu)。

3.2 耗散效應(yīng)

圖8中紅色虛線表示孔腔內(nèi)的渦流結(jié)構(gòu),白色箭頭表示進(jìn)入孔腔內(nèi)流體的流入方向,紅色字母

表示流入方向與水平軸向的夾角,定義為入射角。入射角

越大,代表流入腔室的流量越大,在腔室內(nèi)耗散的能量也越大。由圖8(a)中的孔型密封流場可見,液體通過一個(gè)小入射角(左圖)直接流入腔室或先經(jīng)過一個(gè)小壁面渦(右圖),然后在腔室右上角形成一個(gè)約1/3～2/3腔室大小的渦流,其余的液體直接流出腔室,動(dòng)能未被耗散。部分孔腔內(nèi)不會(huì)形成大的渦流,大量的流體直接沿接近徑向方向流出孔腔(中間圖)。圖8(b)的螺旋阻尼密封流場中,當(dāng)螺旋槽位于孔腔之前時(shí)(左圖),由于螺旋槽和間隙中較高的泵送速度和離心速度,流體在壁面渦的作用下,以一個(gè)比孔型密封更大的入射角

進(jìn)入孔腔,流入腔室的流量更多,在腔室耗散的動(dòng)能也更多。當(dāng)螺旋槽與空腔并排時(shí)(中間圖),入流不僅流過間隙,而且流過大部分的螺旋槽區(qū)域,該情況也具有較大的

和較大的質(zhì)量流量。當(dāng)螺旋槽位于孔腔之后(右圖),螺旋槽可以增強(qiáng)孔腔內(nèi)的渦流耗散。如圖8(b)所示,其流動(dòng)與傳統(tǒng)孔型密封類似,但與孔型密封相比,渦流結(jié)構(gòu)更大、更穩(wěn)定,幾乎覆蓋了整個(gè)孔腔。

力爭水利管理改革實(shí)現(xiàn)新突破。進(jìn)一步完善水利規(guī)劃體系、法治體系和科技支撐體系，全面推進(jìn)依法治水和科技興水；加快水資源管理體制、水利建設(shè)與運(yùn)行管理體制、水利投融資機(jī)制、水價(jià)形成機(jī)制、基層水利服務(wù)體系等重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)改革攻堅(jiān)，建立水資源有償使用制度和水生態(tài)補(bǔ)償制度；繼續(xù)推進(jìn)首批30個(gè)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)重點(diǎn)縣建設(shè)；全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革等工作。

圖8給出了孔型密封和螺旋阻尼密封的3種典型孔腔子午面上的速度流場和流線分布?？仔兔芊庥捎诠饣D(zhuǎn)子表面和孔腔的交錯(cuò)排布方式,整個(gè)密封流場可以通過兩排孔腔的子午面來反映?？仔兔芊饪浊蛔游缑娴乃俣攘鲌龊土骶€分布主要表現(xiàn)為圖8(a)中的3種典型形式。但對(duì)螺旋阻尼密封,由于轉(zhuǎn)子表面不光滑,螺旋槽的軸向位置相對(duì)于孔腔變化會(huì)造成孔腔內(nèi)不同的流場分布。為了準(zhǔn)確研究螺旋槽對(duì)孔腔流場的影響,選取了3個(gè)典型的孔腔螺旋槽子午面,螺旋槽相對(duì)于孔腔處于3種不同的位置,依次為螺旋槽在孔腔之前、螺旋槽與孔腔并排、螺旋槽在孔腔之后。

文獻(xiàn)[17-18]指出:孔型阻尼密封間隙內(nèi)流體壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,高速射流進(jìn)入孔腔,通過動(dòng)能耗散將壓力能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,降低泄漏量。由于具有孔腔結(jié)構(gòu)的“粗糙”的靜子表面和具有螺旋槽結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子表面對(duì)間隙泄漏流的耦合作用,螺旋阻尼密封的孔腔耗散效應(yīng)與孔型密封不同。為了闡明螺旋阻尼密封與孔型密封腔室耗散作用的差異,對(duì)兩種動(dòng)密封的孔腔內(nèi)詳細(xì)流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

在郭村我也拍過一些人，并因此記住了他們的模樣。再次去郭村，路上遇見會(huì)有特別的親切感，仿佛他們是我住在鄉(xiāng)下的親人。

綜上所述,螺旋阻尼密封轉(zhuǎn)子表面不同相對(duì)位置的螺旋槽對(duì)靜子表面的孔腔耗散效應(yīng)都具有增強(qiáng)的作用。由于難以定量地分析孔腔內(nèi)的耗散效應(yīng),對(duì)孔腔內(nèi)流場的分析不足以解釋螺旋阻尼密封具有更優(yōu)的封嚴(yán)性能的內(nèi)在機(jī)制。

3.3 泵送效應(yīng)

圖9為靜子和轉(zhuǎn)子表面的螺旋槽周向展開圖,上半象限為靜子表面,下半象限為轉(zhuǎn)子表面?；疑糠执砺菪?白色部分代表螺旋槽。

表示螺旋角,本文計(jì)算模型為21.21°。對(duì)于傳統(tǒng)的雙螺旋密封,靜子表面和轉(zhuǎn)子表面的螺旋槽的旋向相反,因此平行于槽方向的速度計(jì)算方法也不同。

為了定量地分析螺旋阻尼密封的封嚴(yán)機(jī)理,本文計(jì)算了轉(zhuǎn)子面螺旋槽內(nèi)的平均泵送速度。文獻(xiàn)[8-10]研究表明,螺旋密封的封嚴(yán)機(jī)理是通過螺旋槽內(nèi)的“泵送效應(yīng)”來實(shí)現(xiàn)的。在Iwatsubo等

提出的平行和垂直于螺旋槽方向的直角坐標(biāo)系基礎(chǔ)上,本文用流體平行于螺旋槽的速度分量來表征螺旋槽“泵送效應(yīng)”的強(qiáng)度和方向。

假設(shè)旋轉(zhuǎn)方向、

軸正向和指向出口的方向?yàn)檎?則平行于靜子槽速度

和平行于轉(zhuǎn)子槽速度

分別定義為

(2)

式中:

、

分別是流體空間中某點(diǎn)的相對(duì)軸向速度和相對(duì)周向速度;

為相對(duì)于靜止坐標(biāo)系;

為相對(duì)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。負(fù)值的

、

表示流體是在相對(duì)于螺旋槽被反向泵送到密封進(jìn)口,正值表示流體是在相對(duì)于螺旋槽向密封出口泄漏,負(fù)值的

、

也可以被定義為泵送速度,泵送速度的絕對(duì)值越大說明泵送效果越明顯,封嚴(yán)性能越好。軸向速度

可以直接從CFX結(jié)果文件中導(dǎo)出,周向速度

需要用戶自定義求解,即

(3)

的求解需要在旋轉(zhuǎn)圓柱坐標(biāo)系中進(jìn)行速度變換,圖10給出了詳細(xì)的轉(zhuǎn)換示意圖?？紤]到帶有螺旋槽的轉(zhuǎn)子表面的旋轉(zhuǎn),

的求解應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的相對(duì)速度。旋轉(zhuǎn)方向遵循右手規(guī)則,旋轉(zhuǎn)方向被定義為正,周向速度被定義在式(3)中,(

,

)表示空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo),(

,

)表示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的相對(duì)速度,這4個(gè)變量都可以在CFX結(jié)果中得到。

為了準(zhǔn)確比較雙螺旋密封和螺旋阻尼密封轉(zhuǎn)子表面螺旋槽的泵送效應(yīng)強(qiáng)度,闡明螺旋阻尼密封螺旋槽的封嚴(yán)機(jī)理,需要進(jìn)一步對(duì)螺旋槽內(nèi)流體速度進(jìn)行定量分析。圖11給出了雙螺旋和螺旋阻尼密封某子午面上的

云圖分布,圖中紅色虛線框中的旋轉(zhuǎn)域被選作分析對(duì)象。圖12給出了雙螺旋和螺旋阻尼密封在6種變負(fù)載工況下的線平均

隨

變化的分布曲線,其中

表示到槽底的距離。雙螺旋密封的

為負(fù)值,隨著負(fù)載率的增加而減小,泵送速度-

增大,這主要是由于泵送效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而增強(qiáng)。在圖12(b)中,螺旋阻尼密封的

為負(fù)值,隨著負(fù)載率的增加而減小,泵送速度-

增大且數(shù)值和增幅均比雙螺旋密封大。螺旋阻尼密封的

沿徑向方向變化不明顯,間隙附近的

顯著降低,這意味著泵送速度-

迅速增加,泵送效果在間隙處達(dá)到最大。一般情況下,雙螺旋和螺旋阻尼密封的

幾乎在所有工況下均為負(fù)值,這表明所有螺旋槽內(nèi)流動(dòng)都表現(xiàn)為反向泵送。螺旋阻尼密封在全工況下的泵速-

均大于雙螺旋密封,尤其是在高負(fù)載工況下(高壓降、高轉(zhuǎn)速)。

為了研究

沿軸向的變化規(guī)律,本文同樣將圖11中紅色虛線框中的螺旋槽旋轉(zhuǎn)域作為分析對(duì)象。圖13給出了雙螺旋和螺旋阻尼密封在6種變負(fù)載工況下

隨

變化的分布曲線,其中

表示到密封入口的軸向距離。雙螺旋密封的平均

值沿軸向位置變化較大,且隨槽、棱的位置交替變化明顯,具有明顯的周期性特征。

在螺旋棱區(qū)域從一個(gè)接近于零的極小正值開始,進(jìn)入螺旋槽區(qū)域后從槽前壁處開始迅速增加到一個(gè)幅值,然后在靠近后壁處迅速減小,直到在螺旋棱處下降到接近于初始值。而對(duì)于螺旋阻尼密封,則沒有明顯的周期性和變化規(guī)律,

隨軸向位置的變化在一定范圍內(nèi)振蕩。從圖13中可以得到與圖12相同的結(jié)論,對(duì)于雙螺旋和螺旋阻尼密封的轉(zhuǎn)子面螺旋槽,幾乎所有工況下的

都為負(fù)值,這意味著槽內(nèi)流動(dòng)表現(xiàn)為反向泵送。螺旋阻尼密封的泵送速度-

在全工況下均大于雙螺旋密封,特別是在高負(fù)載工況下(高壓差、高轉(zhuǎn)速)。以設(shè)計(jì)工況2為例,雙螺旋密封沿軸向分布的

平均值約為20 m/s,螺旋阻尼密封沿軸向分布的

平均值約為50 m/s,約為雙螺旋密封的2.5倍,增大150%。由此可見,螺旋阻尼密封的轉(zhuǎn)子面螺旋槽的泵送作用遠(yuǎn)強(qiáng)于雙螺旋密封,具有更優(yōu)的封嚴(yán)性能。這主要是由于定子表面的孔腔的結(jié)構(gòu),阻礙了泄漏流圓周速度的發(fā)展,導(dǎo)致本身為負(fù)值的相對(duì)圓周速度

的絕對(duì)值顯著增加。

3.4 周向旋流速度

文獻(xiàn)[23-25]指出,減小密封腔室和間隙內(nèi)周向旋流速度能夠有效增大動(dòng)密封有效阻尼。傳統(tǒng)的直通式迷宮密封由于無法抑制周向旋流的發(fā)展,通常會(huì)產(chǎn)生較大的交叉剛度,降低系統(tǒng)的有效阻尼,易誘發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)失穩(wěn);阻尼密封粗糙靜子面能有效減小密封間隙內(nèi)的周向旋流速度,增大有效阻尼,增強(qiáng)軸系穩(wěn)定性。

圖14給出了4種密封結(jié)構(gòu)在密封間隙內(nèi)的周向旋流速度沿軸向的分布曲線(

=100%,

=0.75)?？傮w來看,密封間隙內(nèi)的周向旋流速度由大到小的順序?yàn)槊詫m、雙螺旋、孔型、螺旋阻尼密封。迷宮密封的間隙旋流速度從密封進(jìn)口到出口均勻緩慢減小,雙螺旋密封的間隙旋流速度隨著螺旋槽、棱的交替而呈現(xiàn)出近似周期性變化。孔型密封和雙螺旋密封的間隙旋流速度相對(duì)迷宮、雙螺旋密封更小,但孔型密封的間隙旋流速度在前半段有一個(gè)激增,導(dǎo)致孔型密封的整體平均間隙旋流速度高于新型螺旋阻尼密封。較低的周向旋流速度能夠有效地減小密封的交叉剛度系數(shù),從而增大系統(tǒng)的有效阻尼,有利于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的抑振增穩(wěn)。從周向旋流發(fā)展來看,螺旋阻尼密封具有最低的平均間隙旋流速度,需進(jìn)一步開展其轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的評(píng)估研究。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)液氧渦輪泵葉輪前凸肩密封提出了一種新型的螺旋阻尼密封(靜子面孔型和轉(zhuǎn)子面螺旋槽)。針對(duì)高預(yù)旋速度和高壓力來流條件的模擬,提出了一種“雙進(jìn)口邊界”數(shù)值模型,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封進(jìn)口壓力和速度邊界條件的耦合控制。對(duì)比研究了迷宮密封、孔型阻尼密封、雙螺旋密封等3種傳統(tǒng)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)和新型螺旋阻尼密封在某液氧渦輪泵6種變負(fù)載運(yùn)行工況(負(fù)載率

=23%,31%,54%,77%,100%,108%)、2種進(jìn)口預(yù)旋比(

=0,0.75)下的泄漏特性,得到如下主要結(jié)論。

(1)4種動(dòng)密封方案的封嚴(yán)性能依次表現(xiàn)為螺旋阻尼密封、雙螺旋密封、孔型密封、迷宮密封。新型螺旋阻尼密封各工況下均具有最佳的封嚴(yán)性能,且其泄漏量對(duì)于壓差、轉(zhuǎn)速、進(jìn)口預(yù)旋等工況條件變化的敏感性最低,具有優(yōu)良的變工況適應(yīng)能力,能夠滿足液氧渦輪泵深度變推力下的封嚴(yán)需求,是一種理想的液氧渦輪泵離心輪凸肩密封結(jié)構(gòu)。

(2)雙螺旋密封泄漏特性對(duì)進(jìn)口預(yù)旋極其敏感,進(jìn)口止旋裝置會(huì)導(dǎo)致雙螺旋密封泄漏量顯著增大,而新型螺旋阻尼密封泄漏特性對(duì)進(jìn)口預(yù)旋變化不敏感(<2.7%),可忽略進(jìn)口預(yù)旋的影響。

(3)螺旋阻尼密封的轉(zhuǎn)子面螺旋槽對(duì)靜子面孔腔內(nèi)渦流耗散具有增強(qiáng)作用,增加了入射角

和入流流量,穩(wěn)定加強(qiáng)了耗散渦流強(qiáng)度,最終增強(qiáng)了耗散作用,降低了泄漏量。

(4)螺旋阻尼密封轉(zhuǎn)子螺旋槽子午面上的

在全工況下均為負(fù)值,槽內(nèi)流動(dòng)表現(xiàn)為反向泵送。靜子面上的孔腔也能增強(qiáng)轉(zhuǎn)子面螺旋槽內(nèi)的泵送效應(yīng),在設(shè)計(jì)工況2下,螺旋阻尼密封轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的泵送速度-

約為雙螺旋密封的2.5倍,增大了150%。

(5)4種動(dòng)密封方案中,新型螺旋阻尼密封的平均間隙周向旋流速度最小,可有效降低密封的交叉剛度、增大有效阻尼,有利于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的抑振增穩(wěn)。

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