超临界二氧化碳迷宫密封内摩擦损失数值研究及流动特性分析

为厘清迷宫密封内摩擦损失的影响因素并建立摩擦系数预测模型，基于Vannini等搭建的迷宫密封实验装置，以超临界二氧化碳为工质，采用数值方法，探究了雷诺数、进出口压比以及间隙半径比对摩擦系数和泄漏特性的影响关系。结果表明：摩擦系数随雷诺数的增加而减小，随进出口压比的增加基本不变。泄漏量在雷诺数小于10⁴时基本不变，但在大于10⁴时随雷诺数的增大而减小，且泄漏量随进出口压比增大而增大。在不同工况条件下，摩擦系数和泄漏量随间隙半径比的增加而线性增大，但摩擦系数的斜率基本不变，泄漏量的斜率随进出口压比的增大而增大。当雷诺数较高、压比较低时，在密封的入口区域会存在尺寸较大的涡，这有利于泄漏量降低，但此时泄漏模型的预测精度有少许降低。当间隙半径比较小时，摩擦损失主要源于密封间隙内的流动；当间隙半径比较大时，流体与壁面的相互作用是摩擦损失产生的主要原因。最后，基于数值计算结果，提出了摩擦系数预测模型，并验证了该模型预测精度。研究结果将为提高超临界二氧化碳迷宫密封及透平机械的设计水平提供参考。