迷宫密封是一种非接触式密封装置，常用于气体密封，也可以用于液体或者气液两相混合物的密封。迷宫密封在结构上由一系列交替的密封齿和膨胀腔组成，一般通过齿-腔交替的结构对介质实现压缩加速-膨胀降速的反复交替，以消耗介质的机械能，达到阻漏的目的。迷宫密封结构简单，工作环境适应性强，在航空发动机上得到了广泛应用，其理论建模及密封机理也得到了国内外学者的广泛研究^[1-10]。

但是由于迷宫密封需要预留间隙，因而泄漏量相对较大。随着现代航空工业的发展，迷宫密封需要在一些苛刻的工况如高温、高速工况下长期服役及使用。离心变形、热膨胀等因素会导致转子出现扰动，严重时可能会对迷宫密封产生碰磨，从而导致迷宫密封性能下降^[11-13]。为此，研究者们陆续开展了齿形优化、可磨耗涂层、聚合物材料、组合密封等^[14-18]方面的研究，虽然已经取得了良好的效果，但密封性能的不足和劣化仍未得到根本上的改变，依然是限制迷宫密封在高性能要求场合应用的瓶颈。

通过将传统固定的密封结构改变为可浮动的密封结构，能够一定程度上解决小泄漏间隙迷宫密封的碰磨问题，近些年来引起国内外研究人员的关注，例如孙丹等^[19-20]提出了一种基于滚珠式收敛袋型密封结构，通过提升密封结构在工作时的自适应同心能力，来降低密封流体的动压效应，从而减小气流激振力。但是，当前对于自适应浮动迷宫密封的研究相对较少，对其工作机理和设计方法的认知还有很多欠缺。

本文提出了一种可浮动自适应迷宫密封结构(以下简称自适应迷宫密封)，能够结合传统固定密封和浮动密封的特点，利用数值模拟的方法研究了其工作机理和密封特性影响因素，并进行了实验验证和研究。

1 密封原理与受力分析 1.1 密封结构与工作原理

自适应迷宫密封是在传统迷宫的固定密封结构上改进的，两者结构设计如图 1所示。自适应迷宫密封环材料选择自润滑性能良好的石墨，在密封环的内径处加工有迷宫密封槽，可以起到减小泄漏的目的。与传统迷宫密封环不同，自适应迷宫密封环在工作中，由于受流体的动压、静压效果会产生径向位移，因此传统的迷宫密封环安装方式并不适用。对于自适应迷宫密封环，转子静止时，由于迷宫密封环自身重力作用，密封环悬挂在转子上；转子工作时，由于密封环与转子之间的介质的动静压效应，密封环会浮起，此时密封环内表面和转子的外表面构成主要密封面，主要依靠迷宫密封以及间隙节流效应进行密封。密封环右端面与挡板构成次密封面，依靠两者的紧密接触进行密封。

1.2 受力分析

自适应迷宫密封的受力如图 2所示。密封工作时，密封环在轴向上受到高压侧气体压力F_P1、弹性元件压力F₁、密封环与挡板之间气膜反力F_P2以及挡板对密封环的支持力F₂。在径向上，受到密封间隙流体作用力F_hyd、密封端面与挡板之间的摩擦力F、密封环外圆周面气体压力F_P2以及密封环自重W_g。

考虑到外圆周面气体压力互相平衡，转子转动时，密封环能够浮起的条件为

$ F_{\mathrm{hyd}}>W_{\mathrm{g}}+F. $

(1)

自适应迷宫密封环端面所受的摩擦力为

$ F=\mu F_{2}=\mu\left(F_{\mathrm{P} 1}+F_{1}-F_{\mathrm{P} 2}\right). $

(2)

其中μ为接触端面的摩擦因数。

当F_hyd小于W_g和F的合力时，密封环会有下降的趋势，如果F_hyd完全消失，则密封环内径会与转子外径接触，导致密封环内径的磨损。因此，本文的目的是通过数值模拟研究工况条件和结构参数对流体力F_hyd的影响机理及规律，优化设计以提升自适应迷宫密封的浮动性能和密封性能。

2 数值模拟研究 2.1 数值模型计算方法 2.1.1 几何模型

利用Solidworks软件对自适应迷宫密封进行三维模型的构建，设置转子与自适应迷宫密封环偏心安装，形成自适应迷宫密封的三维结构模型，密封一侧的流场几何模型及局部尺寸如图 3所示。表 1给出了密封几何模型的具体尺寸。

2.1.2 网格划分及网格无关性检验

带有密封槽结构的流场膜厚分布不均匀，为了提高求解精度和计算效率，采用Workbench中的ICEM软件对流场进行六面体网格划分，将流体域分割为多层圆柱，并对内部薄膜间隙进行了切割，分别进行网格划分，结果如图 4所示。经验证，网格质量较好，满足计算精度要求。

在偏心率为0.4的情况下进行网格无关系检验，分别设置网格数量为360 000和743 624，2次计算的泄漏率分别为38.727 5和38.729 3 m³/h，相差0.001 8 m³/h；浮起力分别为9.34和9.33 N，相差0.01 N。可以看到，网格数量增加约1倍时，两者误差较小，因此网格数量为360 000满足计算需要，后续算例均按此网格数进行仿真计算。

2.1.3 边界条件设置

将ICEM中划分好的网格保存成非结构网格，导入Fluent计算软件，设定流场模型的边界条件如表 2所示。入口和出口均为压强边界条件，入口面为流体压力施加面，压力施加方向垂直入口面，出口的压力设置为0。设置流体域的内圆周面为转动壁面，转动轴的轴心为内圆周面的中心，流体域的外表面为固定壁面。由于密封环本身的复杂结构，该密封间隙流场中流体的流动情况比较复杂，在密封小间隙节流段和槽腔内分别为射流和湍流，选择k-ε湍流模型进行仿真计算，工作介质为理想气体，利用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations)算法进行迭代，迭代多次，直到各参量达到收敛精度要求。

2.2 流场特性分析 2.2.1 密封流场分析

在fluent中设定转速为3 000 r/min，温度为常温，分别计算密封上下游压差为0.3 MPa时，偏心率为0.4的自适应迷宫密封和传统迷宫密封的密封间隙沿着各方向的流体力的合力和流场压强分布。传统迷宫密封的齿形参数与自适应迷宫密封的保持一致，径向间隙为0.3 mm。计算得到的结果如图 5所示，可以看出，在轴向方向上，介质压强逐渐降低，最大压降梯度靠近入口处，每个迷宫槽的内部压强基本保持一致，3个迷宫槽压强依次降低，且对于同样的入口压强，传统迷宫密封的压强下降速度比自适应迷宫密封的更快。通过求得密封流场外圆周面的沿着周向每隔30°各方向流体力的合力，可以看出自适应迷宫密封的方向合力明显大于传统迷宫密封的，且在0°~180°范围内呈现出先增加后减小的趋势。合力最大方向靠近90°方向，此方向为转子圆心与密封环圆心的连线方向。与传统迷宫密封相比，自适应迷宫密封的流体作用力更强，具有更好的浮起性能。

2.2.2 浮动机理分析

自适应迷宫工作过程中，密封环能否浮起对于密封的性能和寿命至关重要，而浮升力的来源为间隙流体膜的合力，因此可以通过分析工况参数流体力合力的影响规律，分析自适应迷宫密封的浮动机理。

图 6为偏心率为0.4，转速为3 000 r/min，入口密封压差按0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa变化时，自适应迷宫密封的密封间隙流场产生的浮起力仿真结果。随着密封压差的增加，浮起力都不断增加，在压差大于0.15 MPa时，浮起力的增加幅度减小。可见，在实际工作中，压差对与自适应迷宫密封浮起力的影响比较明显。截取了压差为0.3 MPa对应的自适应迷宫密封流场宽间隙和窄间隙的压强分布图，可以发现，在同样入口压强下，窄间隙的靠近入口处的压强大于同轴向位置宽间隙处的压强，即浮动迷宫环偏心时，密封流体域的外表面合力不为0，从而产生了浮起力，这一结果与孙丹等^[19]的结果相似。

图 7为偏心率为0.4，入口密封压差为0.30 MPa时，转速按500、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 r/min变化时，自适应迷宫密封的密封间隙流场产生的浮起力仿真结果。可以看出，随着转速的增加，沿着偏心方向的浮起力基本保持不变，在500 r/min时浮起力为9.31 N，当转速增至6 000 r/min浮起力为9.33 N，转速对浮起力的影响较小。截取了转速为500和6 000 r/min对应的自适应迷宫密封流场宽间隙和窄间隙的压强分布图，可以看出，低转速和高转速工况下，自适应迷宫密封的压强分布基本相同，转速对流体压力场的分布影响较小，这可能是因为密封介质为气体，气体的黏度小，因此在转子转动时流体域的流体动压效应较弱。结合图 6压差对浮起力的影响分析，可知对于自适应迷宫密封，静压作用对于浮起力的影响比动压作用更显著。

2.3 浮动影响分析

除了密封压差和转速外，自适应迷宫密封工作的工况因素包括温度、密封介质等，密封的结构尺寸等也会对自适应迷宫密封的浮起性能和密封性能产生影响。在使用工况确定的情况下，密封的结构尺寸是密封性能的关键，因此需要对结构尺寸的影响规律进行研究。本文选择偏心率、迷宫密封槽宽、入口节流段长度3个因素，分析了其对密封浮起性能和密封性能的影响。

2.3.1 偏心率的影响

图 8为平均径向间隙0.125 mm、入口节流段长度13.5 mm、转速为3 000 r/min，密封压差分别为0.1和0.3 MPa时不同偏心率对应的仿真结果。可以看出，随着偏心率的增加，浮起力均不断增加，且0.3 MPa压差下，浮起力的增长速率比0.1 MPa压差下的更快。另外，随着偏心率的增加，泄漏率总体上数值变化幅度不大。这是因为，随着偏心率的增加，密封环与转子之间的窄间隙减小，此时包括动压效应和静压效应的流体力增强，浮起力增加。但偏心率的增加，密封结构沿着轴向的泄漏间隙总面积没发生变化，因此泄漏率的变化较小。

2.3.2 迷宫密封槽宽的影响

图 9为平均径向间隙0.125 mm、槽深3.0 mm，4种不同宽度的槽对应的浮起力和泄漏量的仿真计算结果。在建模时，保证密封部分同一周期的齿宽加槽宽的总长度不变。可以看出，当密封环迷宫段槽宽从0.5 mm增至2.5 mm时，密封的浮起力随着槽宽的增加而减小。这主要是由于在迷宫段总长度不变的情况下，随着槽宽增加，迷宫密封齿宽减小，有效压强积分区域减小，从而导致浮起力减小。

与迷宫密封齿相比，槽腔内的压强分布对浮起力的贡献较弱。另外，随着槽宽的增加，密封泄漏量逐渐减小，说明自适应迷宫密封中的迷宫结构有利于减小密封的泄漏量。

2.3.3 节流段长度的影响

图 10对平均径向间隙0.125 mm、槽深3.0 mm、槽宽2.0 mm、偏心率0.6、压差0.3 MPa、转速3 000 r/min时，入口节流段长度分别为1.5、4.5、7.5、10.5、13.5 mm的5种密封环间隙流场仿真计算的结果。随着入口节流段长度的增加，密封环整体浮起力不断提高，另外，由于节流段长度的不断增加，间隙内压力在入口节流段下降的幅度不断增加，从而导致迷宫段入口压力不断减小，密封整体的泄漏量也随之降低。由此可见，与迷宫段相比，小间隙节流段是浮动迷宫密封环能否实现浮起的关键部分，在实际设计的过程中，应充分考虑具体的工况和使用条件，选择合适的节流段长度。

3 实验研究 3.1 实验装置

自适应迷宫密封实验台的基本组成如图 11所示，该实验台的主要由机械系统、供压系统、冷却润滑系统、和测量与控制系统组成。机械系统主要由密封实验腔、轴承腔、三相异步电机组成，为密封提供所需的工况环境和转速条件。供压系统包括空气压缩机、储气罐、阀门、压力表、连接管路等，可为密封实验腔提供0~0.45 MPa的稳定压强环境。冷却润滑系统用于对实验台的轴承腔进行冷却和润滑，提高实验台的工作寿命。测量和控制系统包括位移传感器、流量计、转速仪、扭矩仪以及计算机主机等，位移传感器用于测量密封环的位移，扭矩仪用于测量电主轴的摩擦力矩，两者都可确定密封环是否处于浮起状态，流量计用于测量密封的泄漏量，计算机主机用于控制机械系统的运转，并记录实验数据。

3.2 密封的泄漏特性

泄漏量是密封性能的重要指标之一，图 12为转速3 000 r/min工况下传统迷宫密封和自适应迷宫密封随着压差变化的泄漏特性曲线。随着压差的增加，2种迷宫密封的泄漏量近似线性增加。密封压差从0.05 MPa增加至0.3 MPa时，实验测得传统迷宫密封和自适应迷宫密封泄漏量分别从45.2 m³/h增加到123.03 m³/h和从11.13 m³/h增加到37.71 m³/h。在相同压差工况下，传统迷宫密封的泄漏量为自适应迷宫密封的3.3~4.1倍，自适应迷宫密封能够明显改善传统迷宫密封高泄漏率的问题。对比实验结果和仿真结果，传统浮动迷宫的最大误差出现在0.05 MPa压强工况，为5.5%，其余工况下实验结果与仿真值结果相差小于2%。对于浮动迷宫密封，实验值与仿真值的最大误差同样出现在0.05 MPa, 相对误差为6.9%，其余工况下实验结果和仿真结果误差小于5%，实验结果与仿真结果相符程度较好。

3.3 浮起性能

密封环与转子外表面是否发生摩擦磨损取决于自适应迷宫密封的浮起性能。图 13为不同压差条件下位移传感器测得的密封环浮起高度随时间的响应曲线。可以看出，不同压差下，自适应密封环均能浮起，且响应迅速，通气后响应时间小于1 s。在压差为0.05 MPa工况下，密封环的浮起平均高度为0.022 mm；随着压差不断增大，密封环能够浮起的高度逐渐增加。在0.3 MPa的压差工况下，石墨密封环的浮起高度能够达到0.097 mm。密封环在浮起之后，浮起高度在一定的数值内变化，此时密封环处于一种动态平衡状态下，自适应迷宫密封具有良好的自适应性。

图 14为转速为3 000 r/min时，对应不同压差工况下位移传感器测得的密封环的偏心率。可以看出，随着密封压差的增加，自适应迷宫密封的偏心率先减小后稳定，在0.05 MPa的压力下密封环的偏心率为0.824，而当压力增加至0.3 MPa时密封环的偏心率减小至0.296。这是因为随着偏心率逐渐减小，密封间隙产生流体力减小，压差的进一步增加对流体力的作用有限，密封环的位置保持稳定。从位移传感器测得结果看，密封压差从0.05 MPa至0.30 MPa变化时，设计的自适应迷宫密封环实现了稳定的浮起，具有良好的自适应性。

4 结论

针对传统迷宫密封在恶劣工况下会发生碰磨的问题，本文提出了一种自适应迷宫密封结构，结合了传统固定密封和浮动密封的特点，减小了传统迷宫密封的在恶劣工况下的碰磨问题。通过数值仿真计算分析的方法，分析了自适应迷宫密封的浮起机理，探究了偏心率、槽宽、节流段长度对自适应迷宫密封浮起性能和密封性能的影响规律，并进行了相关实验验证工作，得出以下主要结论：

1) 对于自适应迷宫密封，转子偏心引起的宽间隙和窄间隙压强分布不均匀是自适应迷宫密封环能够浮起的主要原因，且对于平均膜厚为0.125 mm、偏心率为0.4的气体密封，压差对密封浮起性能的影响强于转速。

2) 偏心率、槽宽和入口节流间隙均会对密封的浮起力产生影响，具体表现为偏心率和入口节流间隙增大均会导致密封浮起力增加，槽宽增加会导致浮起力减小。

3) 自适应迷宫密封的密封性能优于传统的迷宫密封。在实验压差条件下，密封环均能浮起，且随着密封压差增加，密封环的偏心率先减小后趋于稳定。