2.1 環形密封間隙激勵力及其等效動力學特性

環形密封廣泛應用于流體機械葉輪耐磨環、級間密封、中間襯套等位置，如圖2-1所示。其中，葉輪口環密封與級間密封屬于長徑比較小的環形密封（長徑比小于0.75），平衡鼓、平衡盤密封則屬于大長徑比環形密封（長徑比大于0.75）。環形密封間隙內流體流動產生的作用力可明顯提高軸系剛度及穩定性，為準確計算此流體力對整個轉子系統動力學特性及動力學行為的影響，Black與Childs等人參考滑動軸承的動特性系數定義^[207]，提出了環形密封動特性系數：主剛度系數K、交叉剛度系數k、主阻尼系數C、交叉阻尼系數c、主附加質量系數M、交叉附加質量系數m。此外，他們還借鑒滑動軸承動力學特性與油膜力的關系，利用小擾動模型下的間隙流體力F與轉子運動狀態，對6個動特性系數進行了定義：

圖2-1 高壓多級離心泵典型環形密封結構

由于交叉附加質量系數量級較小，在軸系動力學特性及動力學行為運算中，多可省略，所以本書所述計算中，均設交叉附加質量系數m=0。圖2-2給出了x、y方向的流體力F_x、F_y與密封轉子在x、y方向的位移X、Y的定義。如圖2-2所示，環形密封轉子幾何中心O′與定子幾何中心O在靜止狀態下重合，但工作狀態下密封轉子除以角速度ω自轉外，還隨軸系振動產生小位移擾動。小擾動模型假定此時密封轉子幾何中心O′的運動軌跡為一個以O為中心，以OO′為半徑的正圓，OO′又稱為偏心量。密封轉子以密封定子幾何中心O為中心的圓周運動又稱為轉子的渦動，渦動轉速為Ω。

從環形密封外形及擾動模型的應用觀察，環形密封與滑動軸承類似，但實際二者內部流體的流動狀態及幾何結構完全不同。最突出的有兩點區別：首先，二者徑向間隙與轉子徑向尺寸的比例完全不同，滑動軸承的半徑間隙與轉子半徑之比量級通常為0.001，而環形密封的系數量級為0.01。其次，由于密封間隙的增大，加上密封兩端的高壓差、內部流體黏度較小等因素的共同作用，使得密封間隙內流體處于高度湍流狀態，與滑動軸承內部流體處于層流狀態完全不同，因此無法效仿滑動軸承利用雷諾方程求解。

圖2-2 小擾動模型x、y方向流體力與位移