分別從泄漏量的計算方法、密封性能的影響因素以及迷宮密封內(nèi)部流場機理的研究等方面介紹了迷宮密封機理的研究現(xiàn)狀，并分析了目前研究中存在的不足，簡要地探討了迷宮密封機理研究的發(fā)展方向。

1、迷宮密封的應用現(xiàn)狀

　　迷宮密封是依靠節(jié)流間隙中的節(jié)流過程(壓力能轉(zhuǎn)化為動能)和密封空腔中的動能耗散過程(動能轉(zhuǎn)化為熱能)實現(xiàn)密封。迷宮密封具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠等優(yōu)點，已被廣泛用于航空發(fā)動機、壓縮機、透平膨脹機、汽輪機、水輪機、離心式低溫泵等機械中，迷宮密封是透平機械中常用的密封元件。迷宮密封的動力特性對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動和穩(wěn)定性有較大的影響，真空技術網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認為這是引起自激振動的重要因素，也是大型透平機組發(fā)生失穩(wěn)的一個重要原因。

　　由于航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動，為了減少泄漏損失，保持各腔室工作壓力，保證發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)，現(xiàn)行發(fā)動機典型地在關鍵部位均采用迷宮密封，例如高壓壓氣機出口及渦輪導向器處。研究發(fā)動機中的迷宮密封的密封機理對充分利用高的渦輪進口溫度和高壓比的壓氣機，提高渦輪效率，減少燃油消耗量都有著重要的實用價值和意義。

　　采用迷宮密封的往復活塞式壓縮機能夠完成潔凈氣體的壓縮和輸送，也可壓縮或輸送帶有微小固體顆粒的氣體，這種壓縮機氣缸與活塞密封機構(gòu)之間無磨損，工作可靠，然而氣體泄漏嚴重是其主要技術難題。迷宮式壓縮機屬于高技術產(chǎn)品，目前在世界上只有瑞士蘇爾壽(SULZER)公司等極少數(shù)廠家生產(chǎn)。我國在開發(fā)迷宮式壓縮機產(chǎn)品上，曾有過研究，但未能形成生產(chǎn)。目前國內(nèi)石化工業(yè)所需的各種規(guī)格迷宮式壓縮機全部依靠進口，其價格昂貴。

2、迷宮密封的研究現(xiàn)狀

　　近一個世紀以來，各國學者對迷宮密封做了廣泛而深入的研究，取得了大量有意義的成果。但其工作主要集中在迷宮密封泄漏量的計算及密封性能影響因素的分析上。所用的方法主要有熱力學分析的方法、計算流體力學數(shù)值分析方法以及泄漏量測量和流動顯示等實驗研究方法。對迷宮密封的早期研究主要采用的是熱力學理論分析和實驗方法。

　　20世紀70年代后，計算流體力學的發(fā)展使得人們對迷宮密封進行了大量的數(shù)值研究，其數(shù)值計算的方法一般為有限差分法和有限元法。如:H. Sto ff采用了有限差分法首次數(shù)值計算了直通型迷宮密封中的不可壓縮流場，D. L. Rhode與J. A. Demko等也對不可壓縮的直通型迷宮密封進行了數(shù)值研究。Rhode和Sobo lik 則首次數(shù)值模擬了迷宮密封內(nèi)的可壓縮流場。國內(nèi)魯周勛等也采用有限差分法和SIMPLEC 算法求解了直通型密封的軸對稱可壓縮流場，得到了單腔室迷宮內(nèi)流場的各流動參數(shù)。

　　另外，計算流體力學軟件的出現(xiàn)也進一步促進了數(shù)值研究的發(fā)展。例如，美國NASA 研究中心使用由NERC 公司開發(fā)的二維多重網(wǎng)格軟件,對真實發(fā)動機中的迷宮密封進行了計算，并表示在以后的設計中將進一步擴大CFD 軟件的應用來驗證試驗并進行設計工作; 還有諸如STAR -CD、SC ISEAL、CFX - TASC f low 3D、ANSYS /FLOTRAN、FLUENT等軟件被用于對不同型式的迷宮密封進行研究。

2.1、泄漏量的計算方法方面

　　有關迷宮密封泄漏量的計算主要是基于對流動過程的熱力學分析、簡化和假設，通過某些計算方法而得出計算泄漏量; 實際泄漏量則是通過/泄漏系數(shù)0修正計算泄漏量而得到的。目前，/泄漏系數(shù)0值一般都是由特定的實驗測出或者采用經(jīng)驗數(shù)值。

　　現(xiàn)有的迷宮密封泄漏量的計算方法很多，典型的有: M artine 計算方法、Stodala 計算方法、Eg li計算方法、Kearton 計算方法、Verms 計算方法等。在這些計算方法中，都是采用首先由熱力學的一些理想過程模型推導出的計算關系式,然后再用由實驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到的流量系數(shù)進行修正而得出泄漏量的值。這種研究方法其實是一種不涉及迷宮密封內(nèi)部流動規(guī)律的黑箱方法。實際上，迷宮密封的宏觀密封性能，只是其內(nèi)部流動和換熱本質(zhì)的具體表現(xiàn)而已，因此，求解迷宮密封內(nèi)部的流動過程，是研究迷宮密封的根本出發(fā)點,其有關理論和技術的發(fā)展、新型密封結(jié)構(gòu)的問世以及密封性能的改進和提高，都必須依賴于對迷宮密封內(nèi)流動本質(zhì)的深入理解，依賴于黑箱秘密的徹底揭開。

　　正因為熱力學方法計算泄漏量有一定的缺陷，一些文獻采用了數(shù)值方法來預報密封的泄漏特性，這方面以D. L. Rhode為代表的美國研究人員做了大量的工作。例如，他通過數(shù)值計算的方法得到了不同結(jié)構(gòu)迷宮密封的密封特性，即密封壓差隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況，從中確定出一種最優(yōu)結(jié)構(gòu)。H. A. E I- Gamal等人研究了不可壓縮流動在靜止和旋轉(zhuǎn)情況下不同結(jié)構(gòu)迷宮的密封性能并指出: 不同迷宮結(jié)構(gòu)的密封性能隨空腔寬度與齒高的比率的增大而提高，但是隨著比率的增加，存在著性能好壞的差異，而且軸旋轉(zhuǎn)與否對不同結(jié)構(gòu)迷宮密封性能的影響不同。劉有軍等也采用有限元數(shù)值預報了徑向迷宮密封的泄漏特性。他研究了一種通過單腔室迷宮密封可壓縮流動的數(shù)值計算結(jié)果得到整體迷宮密封的泄漏特性的方法。

2.2、密封性能的影響因素

　　在迷宮密封性能影響因素的研究方面，由于影響因素很多，如總體結(jié)構(gòu)型式、節(jié)流間隙形狀、間隙尺寸、渦流空腔形狀、空腔尺寸、密封齒數(shù)、密封齒傾斜角度大小、介質(zhì)流向、溫度和壓力條件、介質(zhì)特性、偏心度、徑向密封時機械的旋轉(zhuǎn)速度、軸向密封時軸的運動速度和運動頻率等等，目前都是采用數(shù)值研究與實驗研究相結(jié)合的方法。

　　D. L. Rhode等以航天主發(fā)動機為背景所開展的系列研究，詳細地探討了結(jié)構(gòu)尺寸變化對不同形式迷宮密封性能的影響，大大加深了人們對迷宮通道內(nèi)部流動的穩(wěn)態(tài)特性的認識。研究表明，薄齒情況下，泄漏量受齒厚影響很小; 在小間隙寬度情況下，間隙效應對泄漏量的影響較大;密封齒被磨損后會增加迷宮密封的泄漏量，關于這一方面的研究以前幾乎沒有。

　　S. W itting 等主要采用試驗的方法研究了公差比例效應等因素對迷宮密封性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)R e 和馬赫數(shù)Ma 與相應的結(jié)構(gòu)尺寸變化一樣，對迷宮密封的性能起重要影響。主要表現(xiàn)在: 隨著結(jié)構(gòu)尺寸比例的增大，迷宮密封的泄漏量增加; 隨著雷諾數(shù)R e和馬赫數(shù)Ma的增大,迷宮密封的泄漏量增加。另外，他還通過數(shù)值計算和實驗研究相結(jié)合的方法，重點研究了階梯型迷宮密封的傳熱特性。結(jié)果表明，迷宮密封結(jié)構(gòu)的變化對于換熱特性有較大的影響，在小間隙寬度時，定子的努謝爾數(shù)N u 高于轉(zhuǎn)子的努謝爾數(shù)Nu，而在大間隙寬度情況下則相反，即定子的努謝爾數(shù)N u 數(shù)低于轉(zhuǎn)子的努謝爾數(shù)Nu 數(shù)。

　　V. Schramm 等人提出采用一種將數(shù)值模擬與模擬退火算法相結(jié)合的方法來優(yōu)化航空發(fā)動機中迷宮的密封結(jié)構(gòu)，這種方法可以同時考慮多種因素的影響，為人們進一步研究迷宮密封的最佳結(jié)構(gòu)提供了方向。

　　黃守龍等應用了數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，研究了直通型迷宮密封的空腔傾向、空腔形狀、空腔尺寸和介質(zhì)流向?qū)γ芊庑�率的影響。他指�? 隨著迷宮結(jié)構(gòu)出口進口壓比的減小，泄漏量開始增加較快然后逐漸趨于一個定值; 其它結(jié)構(gòu)參數(shù)都不變時，泄漏量隨齒尖相對厚度的變化存在極小值，這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在厚齒情況下; 在一定范圍內(nèi)增加齒數(shù)可以降低泄漏量,但是超過某一齒數(shù)效果就不明顯了，即在給定的結(jié)構(gòu)總長度下，存在使泄漏量最小的最佳齒數(shù)(或空腔寬度); 其它結(jié)構(gòu)參數(shù)都不變時，泄漏量隨著間隙與空腔寬度比例的增加而增加; 過分加深空腔并不能提高迷宮的密封性，存在最佳的空腔深寬比使得泄漏量最小; 斜齒的封嚴效果優(yōu)于直齒;齒尖朝向來流方向的密封效果優(yōu)于背向來流方向的密封效果。

　　王鎖芳等人通過對不同齒型的封嚴篦齒的動進行數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了齒型結(jié)構(gòu)的微小變化對封嚴效果的影響。研究結(jié)果表明: 齒腔大小和齒腔形狀是決定篦齒封嚴效果的重要因素,并指出等腰梯形齒的密封特性優(yōu)于其它齒型。他還通過數(shù)值計算和實驗相結(jié)合的方法研究了轉(zhuǎn)速對密封性能的影響，研究表明，在低轉(zhuǎn)速情況下,轉(zhuǎn)速對密封性能的影響很小。

2.3、迷宮密封內(nèi)部流場研究

　　在探索迷宮密封的機理上，各國的學者不遺余力，或采用數(shù)值研究，或運用流動顯示試驗。D.L. Rhode等人在發(fā)表的大部分文章中數(shù)值計算了迷宮流場中各種物理量的分布情況 ，詳細闡明了流動過程中的湍流流動機理。

　　D. L. Rhode等采用流動顯示試驗測量了階梯形迷宮密封空腔內(nèi)的流體振蕩和流動不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)對空腔內(nèi)的直流射流存在著流動不穩(wěn)定性，包括一個分叉的流線譜; 他還通過試驗，初步了解了迷宮通道內(nèi)連同自激振蕩一起發(fā)生的流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象。另外，他還在早期的文章中提出利用間隙處所發(fā)生的射流偏轉(zhuǎn)可用來增大間隙而不提高泄漏量。黃守龍針對直通型迷宮密封空腔深寬比和傾

　　向?qū)γ芊庑Ч�的影響進行了實驗，數(shù)值模擬了空腔內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)隨時間的演化細節(jié)，展示了迷宮內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性及其對減小泄漏量的重要影響。從流動不穩(wěn)定性角度進一步揭示了迷宮密封機理。研究指出: 迷宮內(nèi)部流動具有總體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定性和局部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性兩種特征，流動的不穩(wěn)定性構(gòu)成了流動的周期性振蕩，增加了能量耗散和流通阻力，對迷宮結(jié)構(gòu)減少泄漏起到重要作用。

　　劉有軍采用模型實驗和數(shù)值模擬的方法，對鋸齒型徑向迷宮密封的密封機理進行了研究，結(jié)果表明: 節(jié)流間隙中的射流偏轉(zhuǎn)和流束收縮，可以有效地降低間隙的實際流通面積，提高密封性能; 他還通過對一種鋸齒型迷宮密封的數(shù)值和試驗研究，揭示了湍流慣性偏轉(zhuǎn)和射流收縮在湍流增阻中的作用。

3、存在的問題

　　( 1)所提出的泄漏量經(jīng)驗關系式尚未能反映具體的流動特征機理，未能從迷宮密封流動特征機理入手去得出泄漏量計算式，即還沒有提出計算迷宮密封泄漏量的切實有效的精確算法;

　　( 2)所采取的研究方法還局限在熱力學理論或流體力學流動分析的單一方面上，雖然這有助于加深人們對迷宮密封機理的認識，但它并不能完全解析迷宮通道的流動和換熱機理;

　　( 3)目前所建立的計算模型還未反映出非穩(wěn)定因素在齒與齒之間的流場耦合中所起的作用,還沒有全面抓住迷宮密封在多數(shù)工況下所具有的多齒數(shù)、非穩(wěn)定和臨界的特點，這體現(xiàn)在建立的模型主要是針對單個齒腔、在計算中沒有考慮非穩(wěn)定因素的影響等方面。

4、研究方向

　　( 1)探討多齒數(shù)、非穩(wěn)定、臨界狀態(tài)下迷宮密封流場的高精度計算方法，主要解決高速可壓縮流場中流動參數(shù)劇烈變化的有效捕捉和數(shù)值計算的精確與穩(wěn)定等關鍵問題。

　　( 2)建立多齒數(shù)、非穩(wěn)定、臨界狀態(tài)下軸向(或徑向)迷宮密封流場的計算流體力學模型，進行數(shù)值模擬，分析對整個密封性能起關鍵作用的流體特征(如渦運動、分離泡形成與發(fā)展、射流彎曲與沖擊等) ，進而揭示迷宮密封內(nèi)氣體流動特性與泄漏特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，并分析總體結(jié)構(gòu)型式、節(jié)流間隙形狀、間隙尺寸、渦流空腔形狀、空腔尺寸、密封齒數(shù)、密封齒傾斜角度大小等不同因素對密封性能的影響，從而實現(xiàn)對上述影響因素的合理設計。

　　( 3)建立多齒數(shù)軸向迷宮密封實驗臺，進行流動顯示，并測量出工作狀態(tài)下各密封腔內(nèi)的溫度分布和壓力分布及實際泄漏量，驗證和修正理論計算模型。

　　( 4)提出多齒數(shù)、非穩(wěn)定、臨界狀態(tài)下迷宮計算密封泄漏量的簡單而又精確的計算方法或關系式。它將流體力學中流場數(shù)值模擬方法和熱力學中熱力過程分析方法相結(jié)合，得到密封泄漏系數(shù)和迷宮密封內(nèi)流動過程的多變過程指數(shù)，從而用于密封泄漏量的簡便、實用和精確計算，這與以往的僅從熱力學理論或流體流動分析單方面進行研究相比，更能從物理本質(zhì)上體現(xiàn)迷宮密封的泄漏特性。