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摘要：在当今的离心压缩机领域内，蜂窝密封由于其泄漏量少、转子动力学特性较好等优点，已经得到了广泛而有效的使用。蜂窝密封的泄漏量及动力学特性随各种流动和结构参数的变化会呈现出不同而变化，其重要影响因素有蜂窝密封两端压差、转子转速、密封间隙、蜂窝芯格尺寸、蜂窝深度等。本文通过数值分析法，运用Fluent软件模拟设定情况下的各参数对密封性能影响，最终得出最优化的密封参数尺寸，对蜂窝密封的实际应用具有重要意义。
关键词：蜂窝密封；数值模拟法；离心压缩机
1、前言
20世纪90年代时初，为解决美国航天飞机液体燃料涡轮泵的密封问题，蜂窝密封被研发出来。之后美国科学家在蜂窝的材料沟槽、加工工艺等领域进行了大量的试验研究，便形成了新一代先进的密封技术，并很快在美国航空航天领域得到了广泛应用。1991年，某背对背式离心压缩机在投产后发现该压缩机出现了亚异步振动，压缩机的排气压力为28.5MPa，段间密封采用梳齿密封的，其中梳齿密封是带有喷射流的，在用蜂窝密封替代原来的梳齿密封后，压缩机的亚异步振动便消失了。1995年，把六台背对背式离心压缩机的段间密封替换为蜂窝式梳齿密封后，则自投产以来，这些压缩机皆可稳定地运转，并没有出现亚异步振动的不良现象。可见蜂窝密封在抑制亚异步振动方面效果显著。
2、蜂窝密封简介
蜂窝密封可以被视为一种复合的梳齿密封，其密封齿是一个正六边形的多孔结构，由一个外圈采用了密封定子的金属箔构成，因为很容易磨合运行，其与转子轴、叶片、封严篦齿相组合，构成了允许触碰的梳齿密封，通常静子密封环的内表面可被处理为蜂窝结构，这样既能够降低密封的交叉刚度，还能够减少流体周向的冲击速度，从而抑制抑制转子的振动[7-15]。
就蜂窝密封本身来讲，泄漏是不可避免的，关键在于如何控制泄漏量的大小，这对于设备的效率有着直接的影响，也关乎能量消耗程度的强弱。理想的蜂窝结构可以形成预期的流场结构，使得气体在流动中的能量能够达到足够的耗散，从而具有良好的密封效果。本文将开展多因素的优化试验研究，依据几何结构因素和状态参数对密封特性的影响规律，来选择最优的蜂窝几何结构。
3.数值模拟法
数值模拟方法既可以给出流动问题的精确描述，又不会耗费过大，因而数值模拟方法已经渐渐成为当下越来越广泛的应用流动问题分析方法。密封结构的内部流动是集可压缩，粘性，非定常的极其复杂的三维流动，CFD从各个角度不断完善密封结构内部流动的模拟，可以通过研究、分析来解决实际的工程问题，有助于研究者研究实验方法不能研究的比较复杂的流动问题。对流动的机理分析方面，可以在一定程度上取代传统的实验分析方法。
本文利用FLUENT软件对光滑密封、梳齿密封和蜂窝密封均进行内部流动的数值模拟理论分析，通过研究工作介质在密封通道内的流动，揭露密封的工作机理；定量的分析梳齿密封与蜂窝密封泄漏量的差别以及分析密封间隙、蜂窝高度和大小对密封性能的影响，探索这些参数与密封效果的关系，以便正确选择蜂窝密封的各个参数，提高蜂窝密封性能，确保泄漏量不超过规定范围，保证机器正常高效地运行，尽可能地提高机组效率。
4.测试结果与分析
4.1建立模型
本文共建立了多个蜂窝密封模型，以不同的参数为变量，并且对它进行合理的网格划分，通过三维数值模拟，研究了进出口压差、转子旋转速度、密封与转子的间隙以及蜂窝结构深度对其的密封性能优劣的影响。
4.2进口压力对密封性能的影响
建立蜂窝密封计算模型，芯格尺寸为5mm，蜂窝深度4mm，蜂窝个数为5，转子转速为6000，密封间隙0.2mm，出口表压为零，进口相对压力选取0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，观察其在不同压差下的泄漏量，得到结果如表41所示，即蜂窝密封泄漏量随着进出口压力差值的增加而不断加大。
表4-1不同进口压力下通过蜂窝密封的泄漏量
4.3转子转速对密封性能的影响
建立蜂窝密封计算模型，芯格尺寸为5mm，蜂窝深度4mm，蜂窝个数为5，密封间隙0.2mm，出口表压为零，进口表压0.05MPa，取转子转速分别为0、6000、12000和18000，观察其泄漏量随转速的变化，结果如表41所示。
表41不同转速下通过蜂窝密封的的泄漏量
从表中观察可以看出，蜂窝密封泄漏量受转速影响的趋势并不明显，总体来说，当转速增大时，泄漏量有减小的趋势。这是因为当转速较小时，周向速度可忽略。但提高转速，流体周向速度量级逐渐增加到与轴向速度相同，导致流体速度方向发生变化，呈现螺旋状流动，而且增高转速，螺旋线变长，流体阻力变大，泄漏量降低。总的来说，转子转速对泄漏量的影响并不明显。
4.4密封间隙对密封性能的影响
建立蜂窝密封模型，蜂窝深度为4mm，芯格尺寸5mm，蜂窝个数为5，转子转速6000，密封进出口压差0.05MPa，设置密封间隙分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm，通过Fluent软件进行三维数值模拟，得到泄漏量结果列于表41中。由表可见，随着密封间隙增大，泄漏量明显增大，说明在安装密封时应选取尽量小的安装间隙，在保证机组运行安全可靠的情况下尽可能减少泄漏，提高效率。
表42不同密封间隙的泄漏量
4.5蜂窝芯格尺寸对密封性能的影响
建立蜂窝密封模型，密封间隙为0.3mm，蜂窝深度为3.2mm，转子转速3000，进口压力0.2956MPa，芯格尺寸对边分别为3.2mm*8和4.2mm*6时，得到泄漏量分别为1.7040和3.3250，即当蜂窝密封面总长不变，芯格由3.2mm增大到4.2mm而个数降低时，密封结构的泄漏量显著增长，表明当密封面总长不变时，蜂窝芯格数量比芯格尺寸对密封性能影响较大。
图4-1是蜂窝密封不同蜂窝芯格子午面速度压力云图。由图4-1可以看出，当蜂窝密封长度不变，密封蜂窝芯格尺寸变大时，蜂窝芯格数目必然减少，使得泄漏量增加。由图4-1对比发现，蜂窝芯格增大之后，蜂窝腔中的低压区域减少，这表明，蜂窝芯格的增大不利于气流动能的耗散。
（a）蜂窝芯格对边3.2mm（b）蜂窝芯格对边4.2mm
图4-1不同蜂窝芯格子午面处速度压力云图
4.6蜂窝深度对密封性能的影响
建立不同深度的蜂窝密封模型，芯格尺寸为5mm，蜂窝腔个数为5，密封间隙0.2mm，进出口压差0.05MPa，转速为6000，蜂窝深度分别为1mm、2mm、2.75mm、4mm，对比不同蜂窝深度的泄漏量，得到结果如表43所示。蜂窝深度对流体流动特性的影响主要体现在两个方面，一方面影响流体和密封腔壁面的接触面积，另一方面它对旋涡的形成和发展也有影响。两者共同决定何种蜂窝深度对减小泄漏最为有效。
表43不同蜂窝深度时的泄漏量
由上表可知，泄漏量并不随蜂窝深度增加而持续减小，而是在蜂窝深度大于一定尺寸后反而有所回升。当蜂窝深度与芯格尺寸的比值为0.55时，得到最小泄漏量，此结果与何立东实验结果相符。
5.结论
本文采用Fluent对蜂窝密封的内部流动特性和密封特性进行了数值模拟和理论分析，获得了以下结论：
（1）蜂窝密封两端的压力差越大，蜂窝密封的泄漏量越大。
（2）转子转速对密封特性也有影响，当转速增大时，泄漏量有减小的趋势，但是这个趋势并不明显。
（3）随着密封间隙增大，泄漏量明显增大。
（4）当密封面总长不变时，蜂窝芯格数量比芯格尺寸对密封性能影响较大。
（5）蜂窝深度对蜂窝密封泄漏量的影响并不呈现线性的变化规律，只有合适的蜂窝深度/芯格尺寸，能使泄漏气体的能量得到有效耗散，达到最优的密封效果。通过本文的几组参数验证，在蜂窝深度与芯格尺寸之比为0.55时，泄漏量最小。
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