迷宫密封泄漏特性及新结构研究

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1、迷宫密封泄漏特性及新结构研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：王旭东指导教师:林智荣讲师二○一五年四月ResearchonLeakageCharacteristicsandImprovementsofLabyrinthSealsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEng

2、ineeringandEngineeringThermophysicsbyWangXudongThesisSupervisor:LecturerLinZhirongApril,2015摘要摘要迷宫密封广泛应用于旋转机械中，其对机械的运行效率和经济性有重要影响。本文利用理论建模、实验测量和数值模拟对迷宫密封泄漏特性进行了研究，具体分析了密封机理，并给出了新的密封设计。通过对泄漏流动进行量纲分析，得到对泄漏量有重要影响的三个参数：压比、几何结构和转子转速。泄漏流动特征与管流类似，因此将两者进行类比分

3、析，并利用粘性耗散函数来定量考察密封结构内部各点处的耗散情况，发现密封结构内部各点对耗散的贡献情况并不相同，截流位置和驻点位置处的耗散明显高于其他位置，腔内漩涡流动的耗散很小，因此，得到设计新结构的准则：新结构应尽可能的增大截流处和驻点处的损失，同时直接对主流进行作用。对于压比的研究，通过建立流动模型，得到泄漏量与压比之间的函数关系，该模型预测结果与实验和数值模拟结果吻合较好，证实了流动类比和模型预测的正确性。对于几何结构的研究，主要考察转子与静子之间的相对轴向位置关系，结果表明密封齿前转子平台

4、的长度通过影响密封齿前的涡大小来直接影响泄漏量的大小，并存在最优的转静子相对位置，进一步，将这一结论应用于真实工况下的转子轴向串动的分析中，对这一结论进行了验证。对于转子转速的研究，改进压比模型，考虑轴向和周向的动量平衡，得到转速对泄漏量的影响模型，并通过不同形式和工况下的迷宫密封结构的实验数据对模型进行了验证，模型预测结果与实验结果吻合的很好，这也证实了转子转动通过提供泄漏主流的切向速度来增大粘性耗散，进一步，通过数值模拟对转动流场进行分析，从流动细节上对模型进行了验证。基于对密封机理的研究和

5、提出的新结构的设计准则，设计了一种新型的密封结构，该新结构可以将泄漏量降低25%左右，也同时验证了本文提出的设计准则。由于真实密封结构的几何尺寸受限于轴向串动，因此将该新结构进行了修改，修改后的结构在绝大部分轴向位置处泄漏量可以减小约20%左右。关键词：迷宫密封；泄漏特性；密封机理；流动建模；新结构IAbstractAbstractLabyrinthsealsarewidelyusedinthefieldofturbomachineswithagreatinfluenceontheefficie

6、ncyandeconomyissues.Thisthesisstudiesleakagecharacteristics,sealmechanismandproposesasealstructurewithhigherperformancebyflowmodeling,experimentalinvestigationandnumericalsimulation.Basedonscalinganalysisforleakageflow,theleakagemassflowrateisgreatly

7、influencedbythreeparameters:pressureratio,geometrystructureandrotationalspeed.Characteristicsofleakageflowissimilartothatofpipeflow,soanalogyismadebetweenthesetwoflowphenomena.Toillustratedissipationcontributionsmadebyeverypointinsealstructure,viscou

8、sentropygenerationisapplied.Fromdissipationcontour,thedissipationgeneratedbyeverypointvariesobviouslywithahighervalueatorificeandstagnationpointandamuchlowervalueatthecavityflow.Thendesigncriteriaforhigherperformanceisproposed:newdesignshouldincrease