仿生鱼鳞状孔阵阻尼密封的泄漏及转子动力学特性

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Leakage and rotordynamic characteristics of the bionic fish-scale-like hole-pattern damping seal

　　

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  F-HPDS模仿鱼鳞反向排列结构，通过交织几何形状降低流阻。与具有连续孔壁的蜂窝密封相比，基于铝的异形多孔阻尼密封更易制造，能增强动力学性能并降低成本。
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  η = 1.0和η = 0.6的F-HPDS在0.2–0.5 mm间隙范围内，相比等效蜂窝密封泄漏减少高达14%。在η = 1.0条件下，刚度提升122%，同时保持阻尼性能。
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  与H-HPDS相比，尖锐的孔口出口角度增强了出口节流效果，形成双涡流和湍流耗散从而减少泄漏。斜向射流冲击下游腔壁，形成高压区和动压效应。结合Lomakin效应和周向压力分布对偏心的抵抗作用，显著提高了密封刚度。

引言

燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机和航空发动机均使用圆柱形间隙密封来减少泄漏并提高 turbomachinery（叶轮机械）的性能[1]。经济且结构简单的迷宫密封是离心压缩机中常见的内部密封[2]。然而，当迷宫密封用于气体介质时，其泄漏率相对较高。在动部件与静部件之间的狭窄间隙中，沿密封周向流动的气体工作流体容易引发气流激振，显著降低转子系统的稳定性，甚至导致系统失稳[3]。蜂窝密封自20世纪80年代起投入应用，大量工程研究与实践表明，与迷宫密封相比，蜂窝密封能改善系统阻尼并减少工作流体泄漏[4]。凭借其耐久性强、维护成本低以及耐高温高压的特性，蜂窝密封[5]是现代航空燃气轮机中最具前景的密封结构。然而，蜂窝密封的制造工艺难度大，导致生产成本较高，限制了其技术应用的推广范围。采用电火花加工（EDM）或数控加工（CNC）制造的铝制孔型阻尼密封相比蜂窝密封更加经济简便[6]。

多项研究表明，结构与腔体设计对孔型阻尼密封和蜂窝密封的泄漏量及转子动力稳定性具有显著影响。Childs等[7]率先开展了H-HPDS与光滑环形密封及迷宫密封的泄漏和转子动力对比试验，发现H-HPDS具有最低泄漏量和最佳的转子动力稳定性。Schramm等[8]在对阶梯式蜂窝迷宫密封泄漏进行研究后发现，腔体尺寸主导了静子结构的影响效果。另一项研究考察了密封几何形状和工况条件对性能的影响，针对三种不同孔腔尺寸和深度的蜂窝密封与迷宫密封进行了泄漏对比研究[9]。其结果显示，当腔体直径为1.6 mm、深度为3.0 mm时，蜂窝密封泄漏量比迷宫密封低4.8%。同时，蜂窝结构的阻尼效应可抑制振动。Collins[10]指出，在低间隙（0.1–0.3 mm）条件下，蜂窝密封的泄漏特性与光滑定子密封不同。Kleynhans等[11]采用综合流动模型发现，孔深会降低蜂窝密封的动力刚度及阻尼。Alizadeh[12]研究表明，蜂窝密封高度的增加会使流场中涡流增多，质量流量和流体流动损失增大。Li等[13]利用CFD模型和实验研究了迷宫-蜂窝复合密封的泄漏特性，发现当蜂窝孔直径与迷宫齿宽相匹配且深径比为0.93时，蜂窝孔工作效果最佳。Wu[14]利用ANSYS和CFX软件研究了蜂窝密封的最小壁厚以及侧距、深度和厚度对性能的影响，发现壁厚大于0.5 mm的铝制蜂窝密封尽管压力较低，但泄漏量更大。Zhang等[15]建立了三维错列孔和非错列蜂窝密封模型，实验表明孔的配置方式对密封压降和湍动能分布无显著影响。

许多研究者致力于研究非圆形孔腔阻尼密封，以增加流道复杂度和能量耗散。Zahorulko等[16]、[17]提出了一种包含镰刀形槽的扇形密封，采用实验设计（DOE）方法研究了扇贝形深度和宽度、肋宽以及周向扇贝数量对性能的影响，并通过扰动法计算了转子动力系数，结果表明扇形密封的动力学特性显著提升，且频率相关性较强。Campagnoli等[18]研究的菱形图案蜂窝密封能量耗散优于标准密封，菱形单元将旁通叶片的流量从蜂窝密封的29.4%降低至27%。Zhang等[19]、[20]建立的扇贝形孔阻尼密封三维数值模型中，入口压力、预旋比、转速、交织角度和密封腔深对转子动力特性产生影响：扇形阻尼密封的直接刚度随入口压力降低、转速升高和腔深增加而增大；当以正确角度对齐时，该密封腔可提供正直接刚度、改善阻尼并增强系统稳定性。Zhang等[21]引入了阻尼密封孔腔的轴向倾斜角参数，在孔径和密封间隙相同条件下，回流螺旋孔阻尼密封相比直式和螺旋迷宫密封泄漏减少25%。Jiang等[22]开发了一种圆形孔出口燕尾型阻尼密封，其双叶片导向槽设计在倾斜叶片处形成中空双涡流，降低了密封间隙射流速度并改变了螺旋流动，从而实现均匀的压分布并提高低频转子稳定性，泄漏量减少25%，平均有效阻尼增加23%，平均有效刚度增加119%。Du等[23]提出了一种新型双层孔蜂窝密封，在传统蜂窝密封基础上于蜂窝侧壁上钻双孔，其密封性能优于传统蜂窝密封，最大泄漏减少3.95%。研究发现，一致的壁面穿孔和大表面积可提高薄壁蜂窝密封的稳态动力性能。最终通过优化两种密封类型，设计了一种薄壁异形多孔图案阻尼密封，可调节流体流动、提高密封效率、减少泄漏并增强动力阻尼。

在叶轮机械中，孔型阻尼密封是决定系统泄漏控制效率和转子动力稳定性的关键部件。传统密封结构在平衡泄漏抑制与动力性能优化方面仍存在局限性，鱼鳞优良的减阻特性尚未充分应用于薄壁孔型阻尼密封的设计。经同行评审的研究已证实，特定的表面构型可显著增强阻尼密封的泄漏控制和转子动力性能[24]，为本研究利用鱼鳞仿生结构设计F-HPDS提供了理论基础。本研究利用鱼鳞的减阻特性，提出了一种新型薄壁孔型阻尼密封——F-HPDS，并概述了其制造工艺。本研究将采用ANSYS CFX软件进行瞬态动网格数值模拟，结合椭圆涡流模型和实验平台，分析圆柱形间隙密封的泄漏特性，并对H-HPDS、C-HPDS和F-HPDS的泄漏控制性能及动力稳定性进行比较与评估。本研究旨在为叶轮机械中薄壁孔型阻尼密封的设计提供思路，并探索此类仿生结构在改善密封系统泄漏控制和动力性能方面的潜力。

章节摘要

几何模式

图1展示了鱼鳞形孔的纹理结构，包括鱼鳞形孔阻尼密封的几何尺寸和腔体结构。受鱼皮减阻纹理的启发，该结构的排列方向与自然鱼鳞相反，即流体从鱼鳞的尖端流向其曲面，而对于F-HPDS，流体从曲面进入并从尖端流出。密封长度规定为L = 59.7 mm，

结果与讨论

在研究F-HPDS变参数泄漏与转子动力特性时，其余所有几何参数和工况条件必须保持不变。表2列出了F-HPDS数值计算中所采用的几何参数和工况条件。标准仿真参数为：入口总压P_in = 0.4 MPa，入口总温T = 24 °C，出口静压P_out = 0.1 MPa，转速n = 7500 rpm。

结论

• (1)
  新开发的F-HPDS泄漏控制能力优于H-HPDS和C-HPDS。大尺寸鱼鳞形孔的稀疏图案和小尺寸鱼鳞孔的密集图案可提供最有效的泄漏抑制。在轴向间距系数η为1时，F-HPDS的泄漏防止性能优于C-HPDS和H-HPDS，泄漏减少率γ分别提高13%和11%。在η = 0.6时，相应的增幅分别为11%和10%。随着密封间隙

作者贡献声明（CRediT）

胡浩轩：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、监督、软件、调查、经费获取、正式分析、数据整理、概念构思。张轩：数据整理、概念构思。江金波：方法论。倪忠金：可视化。余明锋：监督。徐多：软件。范浩然：验证。吕燕：可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国博士后科学基金（2024M762683）、国家自然科学基金（52505217）、浙江省自然科学基金（LQN25E050029，LMS25E050013）以及浙江大学学生科技创新活动计划（新苗人才计划资助项目，2025R412A026）资助。

Haoxuan Hu|Xuan Zhang|Jinbo Jiang|Zhongjin Ni|Minfeng Yu|Duo Xu|Haoran Fan|Yan Lv