静子面动压槽深分布对双流环密封瓦浮起和温升特性影响研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.08.007

摘要/Abstract

摘要：

为改善经典双流环密封瓦因偏心间隙引起的温度周向非均匀分布问题，提出了一种在密封瓦的空侧和氢侧密封面上开设槽深沿周向变化的变深槽密封瓦新结构，基于考虑流固热交换的共轭传热模型数值求解了双流环密封瓦的间隙流场和温度场分布，在给定偏心率和基于径向力平衡两种条件下对比分析了光滑面、等深槽和变深槽密封瓦的浮起和温升特性，探讨了静子面开槽及其槽深变深比的影响规律和作用机理。结果表明，静子面变深槽密封瓦能突破传统光滑面密封瓦和等深槽密封瓦在零偏心下无浮升力的限制，通过选取合理的槽深变深比以平衡不同的密封瓦自重从而实现零偏心运行；相较于光滑面密封瓦，开槽面密封瓦的偏心率、空侧和氢侧最高温升、整个密封间隙内温度周向非均匀性等性能指标都有大幅改善，但也带来了氢侧和空侧润滑油流量增加的不足。

关键词: 双流环密封瓦, 温升特性, 动压槽, 零偏心运行

Abstract:

To address the problems of circumferentially non-uniform temperature distribution caused by eccentric clearance in classical double-flow ring seal pads， a novel variable-depth groove seal pad was proposed， featuring grooves with circumferentially varying depth on the air-side and hydrogen-side sealing surfaces. Considering fluid-structure thermal interactions， a conjugate heat transfer model was employed to numerically solve the flow fields in the sealing gaps and temperature field distribution of the double-flow ring seal pads. Comparative analyses of the lift-off and temperature rise characteristics of three seal pads with smooth， constant-depth groove， and variable-depth groove were conducted under both of specified eccentricity and radial force balance conditions. The influence law and mechanism of groove designs and groove depth variation on the static surfaces were also investigated. The results indicate that variable-depth groove seal pads may overcome the limitation of zero lift force at zero eccentricity inherent in traditional smooth and constant-depth groove seal pads. By selecting an appropriate groove depth variation ratio， zero-eccentricity operation may be achieved to balance the self-weight of different seal pads. Compared to smooth seal pads， grooved seal pads exhibit significant improvements in eccentricity， maximum temperature rise on the air and hydrogen sides， and circumferential temperature uniformity within the sealing gaps. However， these improvements come at the cost of increased flow rates of lubricating oil on both of the hydrogen and air sides.

Key words: double-flow ring seal, temperature rise characteristic, hydrodynamic groove, zero eccentricity operation

中图分类号:

TH117

张孟丽, 江锦波, 彭旭东, 洪军, 许永利, 孟祥铠. 静子面动压槽深分布对双流环密封瓦浮起和温升特性影响研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(8): 1875-1888.

ZHANG Mengli, JIANG Jinbo, PENG Xudong, HONG Jun, XU Yongli, MENG Xiangkai. Study on Influences of Hydrodynamic Groove Depth Distribution on Static Surfaces on Lift-off and Temperature Rise Characteristics of Double-flow Ring Seals[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(8): 1875-1888.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2026.08.007

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2026/V37/I8/1875

图/表 22

图1 氢冷发电机双流环密封瓦结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the double-flow ring sealing structure for hydrogen cooled generators

图2 不同密封面结构密封瓦槽深分布示意图

Fig.2 Schematic diagram of the depth distribution of sealing ring grooves with different sealing surface structures

图3 静子开槽面浮动密封瓦结构参数示意图

Fig.3 Schematic diagram of the structural parameters of the floating sealing ring on the slotted surface of the stator

图4 不同结构形式密封瓦流体域和固体域网格示意图

Fig.4 Schematic diagram of fluid domain and solid domain grids of sealing ring with different structural forms

图5 双流环密封瓦热交换边界示意图

Fig.5 Schematic diagram of heat exchange boundary of double flow ring sealing

图6 双流环密封瓦流动传热特性数值求解流程图

Fig.6 Numerical solution flow chart of flow and heat transfer characteristics of double flow ring sealing

表1 双流环密封瓦缺省结构参数和工况参数

Tab.1 Structural parameters and working condition parameters of double-flow ring sealing

转轴半径r/mm	223.8	螺旋槽个数N_m	12
密封瓦内半径 r₁/mm	224	螺旋槽上部动压槽深h_u/mm	1
巴氏合金层外径r₂/mm	237.5	非均匀度t	0~1
密封瓦外半径r₄/mm	272	润滑油进口温度T_in/K	313
空/氢侧面轴向长度b₁/mm	16	空侧进口压力 p₁/kPa	484
空氢间轴向长度b₂/mm	9	氢侧进口压力 p₂/kPa	484
空/氢侧进口轴向长度b₃/mm	3	空侧出口压力 p₃/kPa	101
螺旋槽轴向槽宽比L_z	0.5	氢侧出口压力 p₄/kPa	400
螺旋槽周向槽宽比L_θ	0.5	转速n/（r ∙ min $- 1$ ）	3000
螺旋槽角度β/（°）	15	偏心率ε	0.4
螺旋槽周向开槽角度θ₁/（°）	15

表1 双流环密封瓦缺省结构参数和工况参数

Tab.1 Structural parameters and working condition parameters of double-flow ring sealing

转轴半径r/mm	223.8	螺旋槽个数N_m	12
密封瓦内半径 r₁/mm	224	螺旋槽上部动压槽深h_u/mm	1
巴氏合金层外径r₂/mm	237.5	非均匀度t	0~1
密封瓦外半径r₄/mm	272	润滑油进口温度T_in/K	313
空/氢侧面轴向长度b₁/mm	16	空侧进口压力 p₁/kPa	484
空氢间轴向长度b₂/mm	9	氢侧进口压力 p₂/kPa	484
空/氢侧进口轴向长度b₃/mm	3	空侧出口压力 p₃/kPa	101
螺旋槽轴向槽宽比L_z	0.5	氢侧出口压力 p₄/kPa	400
螺旋槽周向槽宽比L_θ	0.5	转速n/（r ∙ min $- 1$ ）	3000
螺旋槽角度β/（°）	15	偏心率ε	0.4
螺旋槽周向开槽角度θ₁/（°）	15

表2 密封瓦和转轴材料物性参数

Tab.2 Physical parameters of sealing ring and rotating shaft materials

结构及

材料

密度

ρ/（kg ∙ m $- 3$ ）

质量热容

c_p /（J ∙ kg $- 1$ ∙K $- 1$ ）

热导率

λ/（W ∙ m $- 1$ ∙ K $- 1$ ）

45号

钢转轴

7850

453.6

表2 密封瓦和转轴材料物性参数

Tab.2 Physical parameters of sealing ring and rotating shaft materials

结构及

材料

密度

ρ/（kg ∙ m $- 3$ ）

质量热容

c_p /（J ∙ kg $- 1$ ∙K $- 1$ ）

热导率

λ/（W ∙ m $- 1$ ∙ K $- 1$ ）

青铜材料密封瓦

8666

343

巴氏合金密封瓦

10 000

140

45号

钢转轴

7850

453.6

图7 基于共轭传热模型的密封或轴承温度和压力求解正确性验证

Fig.7 Verification of the correctness of sealing or bearing temperature and pressure solution based on conjugate heat transfer model

图8 不同密封间隙下双流环密封瓦间隙压力分布

Fig.8 Pressure distribution of double flow ring sealing gap under different sealing clearances

图9 不同密封间隙下空侧和氢侧槽根处压力周向分布

Fig.9 Pressure circumferential distribution at the root of the air side and hydrogen side grooves under different sealing clearances

图10 不同密封间隙下密封瓦浮升力随槽深比变化规律

Fig.10 The variation law of sealing ring buoyancy force with groove depth ratio under different sealing clearances

图11 双流环密封瓦流体域内的特征截面示意图

Fig.11 Schematic diagram of characteristic cross-section in the fluid domain of the double flow ring sealing

表3 偏心率为0.4时三种结构双流环密封瓦性能参数对比

Tab.3 Comparison of performance parameters of three structures of double flow ring sealing with eccentricity of 0.4

密封

结构

浮升力F/N

空氢间

最高

温度T_max/K

空侧出口最高温度T_a/K

氢侧

出口

最高

温度T_h/K

空侧出口流量q_a/（kg · s

- 1

）

氢侧出口流量q_h/（kg · s

- 1

等深

槽面

变深

槽面

表3 偏心率为0.4时三种结构双流环密封瓦性能参数对比

Tab.3 Comparison of performance parameters of three structures of double flow ring sealing with eccentricity of 0.4

密封

结构

浮升力F/N

空氢间

最高

温度T_max/K

空侧出口最高温度T_a/K

氢侧

出口

最高

温度T_h/K

空侧出口流量q_a/（kg · s

- 1

）

氢侧出口流量q_h/（kg · s

- 1

）

光滑面

294.50

363.88

343.61

361.61

1.00

0.28

等深

槽面

794.78

362.65

332.58

338.89

1.55

0.67

变深

槽面

1260.75

361.98

335.91

340.72

1.35

0.51

图12 偏心率为0.4条件下三种密封瓦特征截面处平均压力分布

Fig.12 Average pressure distribution at three characteristic cross-sections of sealing ring under eccentricity of 0.4

图13 偏心率为0.4条件下不同结构密封瓦特征截面的温度分布

Fig.13 Temperature distribution of characteristic cross-sections of sealing ring with different structures under eccentricity of 0.4

图14 不同结构密封瓦空侧和氢侧出口最高温度

Fig.14 Maximum temperature at the outlet of the air-side and hydrogen-side of the sealing ring with different structures

图15 不同结构密封瓦浮升力随偏心率变化规律

Fig.15 Variation of buoyancy force of sealing ring with eccentricity for different structures

表4 实际运行偏心率下三种密封瓦润滑油流量和温度

Tab.4 Lubricating oil flow rate and temperature of three types of sealing ring under actual operating eccentricity

密封

结构

最小

密封

间隙h_min/mm

空/氢间最高

温度

T_max/K

空侧

出口

最高

温度

T_a/K

氢侧

出口

最高

温度

T_h/K

空侧出口流量q_a/（kg · s

- 1

）

氢侧出口流量q_h/（kg · s

- 1

表4 实际运行偏心率下三种密封瓦润滑油流量和温度

Tab.4 Lubricating oil flow rate and temperature of three types of sealing ring under actual operating eccentricity

密封

结构

最小

密封

间隙h_min/mm

空/氢间最高

温度

T_max/K

空侧

出口

最高

温度

T_a/K

氢侧

出口

最高

温度

T_h/K

空侧出口流量q_a/（kg · s

- 1

）

氢侧出口流量q_h/（kg · s

- 1

）

光滑面

0.115

364.08

345.44

362.38

1.020

0.285

等深槽

0.17

359.34

327.14

332.58

1.466

0.656

变深槽

0.20

358.43

327.48

333.82

1.367

0.589

图16 不同结构密封瓦空侧槽根处和空氢中间周向压力分布

Fig.16 Distribution of circumferential pressure at the root of the air side groove and in the middle of the air hydrogen gap of sealing ring with different structures

图17 不同结构密封瓦空侧槽根处压力峰值与平均值分布

Fig.17 Distribution of peak and average pressure values at the root of the air side groove of sealing ring with different structures

图18 三种结构密封瓦不同位置流体膜温度周向分布

Fig.18 Circumferential distribution of fluid film temperature at different positions of three types of structural sealing ring

参考文献 26

[1]	ZHANG Mengli， JIANG Jinbo， HONG Jun， et al. Non-uniform Flow and Heat Transfer Characteristics and Parametric Study of Generator Hydrogen Double-flow Ring Seal［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2024， 46（10）： 623.
[2]	何文强，田永伟，杨建刚. 滑动轴承轴颈温度分布及其对振动的影响［J］. 动力工程学报， 2015， 35（6）： 451-456.
	HE Wenqiang， TIAN Yongwei， YANG Jiangang. Influence of Journal Temperature Difference on Vibration of the Sliding Bearing［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2015， 35（6）： 451-456.
[3]	胡启龙，何文强，管文生，等. 滑动轴承内轴颈涡动引发的热效应分析［J］. 热能动力工程， 2020， 35（9）： 22-28.
	HU Qilong， HE Wenqiang， GUAN Wensheng， et al. Analysis on Thermal Effect Caused by Journal Whirl in Sliding Bearing［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power， 2020， 35（9）： 22-28.
[4]	杨帅，郭红，张泽斌. 热效应对径向浮环轴承最小油膜厚度及稳定性影响研究［J］. 振动与冲击， 2020， 39（18）： 215-222.
	YANG Shuai， GUO Hong， ZHANG Zebin. Thermal Effect on the Minimum Film Thickness and Stability for a Journal Floating Ring Bearing［J］. Journal of Vibration and Shock， 2020， 39（18）： 215-222.
[5]	夏添，杨建刚. 微小间隙内润滑油剪切流动引发的不稳定振动现象分析［J］. 动力工程学报， 2024， 44（1）： 38-44.
	XIA Tian， YANG Jiangang. Analysis of Unstable Vibration Caused by Shear Flow of Lube Oil in Micro-gap［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2024， 44（1）： 38-44.
[6]	宋伟，高伟，李敬豪，等. 密封瓦引发振动及其与摩擦故障比较分析［J］. 汽轮机技术， 2024， 66（2）： 113-116.
	SONG Wei， GAO Wei， LI Jinghao， et al. Analysis of Sealing Bearing Induced Vibration and Comparison with Rub Faults［J］. Turbine Technology， 2024， 66（2）： 113-116.
[7]	俞树荣，丁俊华，王世鹏，等. 柱面密封气膜动压效应模拟及试验［J］. 化工学报， 2020， 71（7）： 3220-3228.
	YU Shurong， DING Junhua， WANG Shipeng， et al. Simulation and Analysis of Dynamic Pressure Effect of Gas Film on Cylinder Seal［J］. CIESC Journal， 2020， 71（7）： 3220-3228.
[8]	张然，赵欢，孙丹，等. 螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性影响机理研究［J］. 推进技术， 2023， 44（3）： 82-91.
	ZHANG Ran， ZHAO Huan， SUN Dan， et al. Influence Mechanism of Spiral Groove on Static and Dynamic Characteristics of Cylinder Gas Film Seal［J］. Journal of Propulsion Technology， 2023， 44（3）： 82-91.
[9]	赵星，刘美红，李鑫，等. 不同槽型柱面气膜密封性能的数值计算研究［J］. 重庆理工大学学报， 2023， 37（19）： 334-341.
	ZHAO Xing， LIU Meihong， LI Xin， et al. Numerical Calculation Study on Sealing Performance of Cylindrical Spiral Groove Gas Film Seal［J］. Journal of Chongqing Institute of Technology， 2023， 37（19）： 334-341.
[10]	DAHITE S， ARGHIR M. Numerical Modelling of a Segmented Annular Seal with Enhanced Lift Effects［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2021， 152： 107455.
[11]	胡启龙. 大型氢冷汽轮发电机密封瓦性能分析及其对振动的影响研究［D］. 南京：东南大学， 2020.
	HU Qilong. Sealing Ring Performance Analysis of Large Hydrogen-cooled Turbo-generator and Its Influence on Vibration［D］. Nanjing： Southeast University， 2020.
[12]	杨玺庆，王宇飞，马高峰. 变倾斜度槽浮环密封性能CFD数值模拟［J］. 润滑与密封， 2024， 49（9）： 52-58.
	YANG Xiqing， WANG Yufei， MA Gaofeng. CFD Numerical Simulation of the Performance of Floating Ring Seals with Variable Inclination Groove［J］. Lubrication Engineering， 2024， 49（9）： 52-58.
[13]	HE Zhenpeng， GUO Yuhang， SI Jiaxin， et al. Numerical Optimization Analysis of Floating Ring Seal Performance Based on Surface Texture［J］. Lubricants， 2024， 12（7）： 241.
[14]	LIU Teng， LI Chentao， DUAN Runze， et al. Viscous Oil Film Thermal Modeling of Hydrostatic Bearings with a Rectangular Microgroove Surface［J］. Frontiers in Energy Research， 2022， 10： 891380.
[15]	XIAO Nian， KHONSARI M M. A Review of Mechanical Seals Heat Transfer Augmentation Techniques［J］. Recent Patents on Mechanical Engineering， 2013， 6（2）： 87-96.
[16]	SAHA S K， SINGH H. Heat Transfer Analysis of Grooved Mechanical Seal： a Numerical Study［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2024， 156： 107700.
[17]	YU Minfeng， PENG Xudong， MENG Xiangkai， et al. The Influence of Cooling Medium and Cooling Channel on Heat Transfer of Textured Seal in Presence of Viscous Dissipation［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2024， 107： 109363.
[18]	HUANG Xun， XU Ge， JIANG Shuyun. Static Characteristics of Water-lubricated Hydrodynamic Spiral-groove Journal and Thrust Bearings for Motorized Spindle［J］. Journal of Tribology， 2023， 145（12）： 124501.
[19]	XU Ge， HUANG Xun， JIANG Shuyun. Study on Thermal Behavior of an Improved Motorized Spindle with Water-lubricated Hydrodynamic Spiral Groove Bearings［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2024， 135（3）： 1697-1712.
[20]	FENG Kai， LI Wenjun， DENG Zhihong， et al. Thermohydrodynamic Analysis and Thermal Management of Spherical Spiral Groove Gas Bearings［J］. Tribology Transactions， 2017， 60（4）： 629-644.
[21]	陈志，高春阳，范唯超，等. 浮环密封流场数值模拟及泄漏率公式的修正［J］. 四川大学学报（工程科学版）， 2016， 48（1）： 208-214.
	CHEN Zhi， GAO Chunyang， FAN Weichao， et al. Simulation of Flow Field in a Floating Ring Seal and Modification of Its Leakage Rate Expression［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 2016， 48（1）： 208-214.
[22]	熊永强. 计入空化效应的水润滑径向滑动轴承数值模拟研究［D］. 上海：上海交通大学， 2011.
	XIONG Yongqiang. Numerical Study of the Water-lubricated Journal Bearings Considering the Effects of Cavitation［D］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2011.
[23]	ABASS B A， AHMED S Y， KADHIM Z H. Thermoelasto-hydrodynamic Analysis of Nano-lubricated Journal Bearings Using Computational Fluid Dynamics with Two-way Fluid–Structure Interaction Considering Cavitation［J］. Arabian Journal for Science and Engineering， 2023， 48（3）： 2939-2950.
[24]	DHANDE D Y， PANDE D W. Multiphase Flow Analysis of Hydrodynamic Journal Bearing Using CFD Coupled Fluid Structure Interaction Considering Cavitation［J］. Journal of King Saud University - Engineering Sciences， 2018， 30（4）： 345-354.
[25]	FERRON J， FRENE J， BONCOMPAIN R. A Study of the Thermohydrodynamic Performance of a Plain Journal Bearing Comparison between Theory and Experiments［J］. Journal of Lubrication Technology， 1983， 105（3）： 422-428.
[26]	于晓康. 高速亚毫米螺旋槽端面密封液膜惯性效应研究［D］. 杭州：浙江工业大学， 2021.
	YU Xiaokang. Study on Inertia Effect of Liquid Film for Sub-millimeter Spiral-grooved Face Seal at High-speed Conditions［D］. Hangzhou： Zhejiang University of Technology， 2021.