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研究生:林宜慶
研究生(外文):yi ching lin
論文名稱:高速主軸迷宮式軸封之壓力與流場分析
論文名稱(外文):Analysis of Flow Structure and Pressure Distrubutions within Labyrinth Seal for High Speed Spindle
指導教授:郭正雄郭正雄引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:靜壓力流場結構迷宮式軸封非接觸式軸封
外文關鍵詞:Static pressureflow structurelabyrinth sealnon-contact sealing
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本研究係以實驗方法量測迷宮式軸封流道壁面上之靜壓力分佈,配合數值分析軟體(Fluent),探討迷宮式軸封中不同軸向間隙比(G/S2)、軸向位移比(d/W)、徑向位移(S)以及徑向間隙(h)等參數變化時,軸封流道間之流場結構及靜壓力分佈的關係,研究結果顯示:
對A模型而言,軸向間隙比在2≦G/S2<3的範圍時,空穴B的渦旋結構強度較強,其留置外來異物之能力較佳。其中又以G/S2=2.5配合徑向間隙h=0.1mm,對外來氣體或異物之阻隔能力最好。當軸向間隙比在G/S2<2時,該模型阻隔外來流體的能力較差。再者,徑向間隙(h)逐漸增大,流道中阻力降低,對外來異物之阻隔效果有降低的趨勢。
對於B模型而言,徑向位移為S=15mm者,在空穴B中所產生的阻隔能力比S=25mm者較佳。其中當軸向位移d/W<0.2時,空穴B中壓力差(ΔPB)較小,阻隔效果較弱。當d/W≧0.2時,則壓力差(ΔPB)較大,阻隔效果較好。此外,當徑向間隙h>0.2mm,流體容易通過軸封流道之間隙,亦即對外來流體的阻隔能力較差。反之,徑向間隙h≦0.2mm時,流道阻力增加,其阻隔外物之能力較佳。其中徑向位移(S)、軸向位移(d)以及徑向間隙(h)等三個幾何參數之影響是緊密相關的,因此,以模型B之軸封設計,必須同時考慮此三個幾何參數之最佳化,方能提升軸封效率。

The purpose of this study is to investigate the static pressure distributions along the wall and flow structures within the labyrinth seal by experiments and numerical analysis. Two aims are expected: (1) To cross-link the flow structures in the flow path and the pressure distributions along the wall of labyrinth seal.(2) To understand the influences due to changes of geometric parameters, such as clearance (h), axial width (G and d), and radial displacement (S). Some important results are found and concluded as follows:
For A models:
(1)In the range of 2≦G/S2<3,vortex strength in cavity B is
strong enough to effectively trap the undesirable substances.
(2)Among A models, the conditions of G/S2=2.5 and h=0.1mm leads to the best sealing effectiveness. However for G/S2<2, the sealing effectiveness reduce significantly.
(3)Increasing the clearance (h) from 0.1mm to 0.5mm results in significant decrease in the flow path resistance, thus, the sealing effectiveness reduces.
For B models:
(1)The sealing effectiveness in cavity B of S=15mm is better than that of S=25mm.
(2)For d/W<0.2, the trapping ability in cavity B is weak. However, for d/W≧0.2, the trapping ability in cavity B largely increases due to different strength of vortex structure.
(3)Increasing the clearance (h) results in significant decrease in the flow path resistance, leading to poor sealing effectiveness.
It is advised that the sealing performance of both models A and B be greatly improved by optimizing these geometric parameters.

符號說明 1
目錄 2
圖表目錄 4
第一章 緒論 7
1.1 研究動機 7
1.2 文獻回顧 8
1.3 本文結構 11
第二章 實驗設備與模型 12
2.1 實驗模型 12
2.1.1轉軸之實體模型 12
2.1.2迷宮式軸封結構 13
2.2 壓力量測系統 15
2.3 高速主軸馬達與變頻器 15
2.4 壓力數據擷取系統 15
2.5流體力學分析軟體(Fluent) 16
第三章 實驗方法及步驟 17
3.1 實驗方法 17
3.2主軸裝配完成後之對整跑合 17
3.3主軸運轉時溫升之監控 18
3.4主軸與心軸平行度之監控 18
3.5實驗的參數的選定 19
3.5.1 模型A 19
3.5.2 模型B 20
第四章 理論模式與計算方法 21
4.1基本假設 21
4.2 統御方程式 21
4.3 初始與邊界設定 22
4.4 計算方法與步驟 23
第五章 結果與討論 25
5.1外壓蓋壁面壓力分佈與渦漩結構之關係 25
5.2 模型A系列 30
5.2.1空穴B中軸向寬度(G)的影響 30
5.2.2外壓蓋與軸封間的徑向間隙(h)之影響 32
5.3模型B系列 34
5.3.1階梯結構徑向距離(S)的影響 34
5.3.2階梯狀結構軸向位移(d)之影響 35
5.3.3外壓蓋與軸封間的徑向間隙(h)之影響 36
5.4軸向寬度(G/S2)、徑向位移(S)、軸向位移(d)、
徑向間隙(h)等參數之綜合影響 38
第六章 結論 40
第七章 建議及未來研究方向 42
附錄 43
A-1主軸轉速的校準曲線 43
A-2壓力量測的校準曲線 43
A-3渦旋結構在壁面上所誘導的平均壓力公式推導 44
A-4 Fluent數值方法之原理 48
A-4-1.二階上風法(Second-Order Upwind Scheme) 48
A-4-2 QUICK Scheme 49
文獻回顧 50
圖表目錄
圖1:模型配置圖 52
圖2a:實驗模型之心軸詳細設計圖 53
圖2b:實驗模型轉動心軸之外隔環 54
圖2c實驗模型轉動心軸之外隔環 55
圖3a: 第一種軸封結構(模型A)以及參數變化示意圖 56
圖3b: 第二種軸封結構(模型B)以及參數變化示意圖 56
圖4a: 第一種迷宮式軸承(模型A)之組合件(隔環A) 57
圖4b: 第一種迷宮式軸承(模型A)之組合件(隔環B) 58
圖4c: 第一種迷宮式軸承(模型A)之組合件(隔環C) 59
圖5:沿圓周方向壓力量測孔的分佈圖 60
圖6:模型A局部放大圖 61
圖7:模型B局部放大圖 61
圖8:模型格點區塊圖 62
圖9:靜止的單一渦旋結構強度為 ,在y=0平面上
所誘導之平均壓力分佈,其中b=4cm 62
圖10:靜止的兩強度相同 之渦旋結構
在y=0平面上,所誘導之平均壓力分佈,
其中a=b=4cm 63
圖11:靜止的兩強度不同 之渦旋結構
,在y=0平面上所誘導之平均壓力分佈,
其中a=b=4cm 63
圖12:模型A系列(As2-6h1)中,上壓蓋壁面上平均壓力
與流道中流線等高圖之比較 64
圖13:模型B系列(BS25d5h3)中,上壓蓋壁面上平均壓力
與流道中流線等高圖 65
圖14:徑向間隙固定(h=0.1mm),改變軸封寬度時之
壓力分佈(模型A系列) 66
圖15:空穴B壓力差(Fluent)之比較圖(模型A系列) 67
圖16:空穴B之流線等高圖(模型A系列) 68
圖17:空穴C壓力差(Fluent)之比較圖(模型A系列) 68
圖18: 軸封間隙固定(G=2mm),改變徑向間隙時,
其對應的流線等高圖(模型A系列) 69
圖19:徑向間隙固定(h=0.5mm),改變軸封間隙(G/S2)時
,各流道中流線等高圖(模型A系列) 70
圖20:徑向間隙固定(h=0.5mm),改變軸封寬度時,
其對應之壓力分佈(模型A系列) 71
圖21:模型A (As2-6h4)中,上壓蓋壁面上平均壓力
與流道中流線等高線圖 72
圖22:迷宮式軸封之直徑與徑向間隙關係圖[12] 73
圖23:空穴A壓力差(Fluent)之比較圖(模型A系列) 73
圖24:空穴A之流線等高圖之比較圖(模型A系列) 74
圖25:模型B (BS25d3h3)中,上壓蓋壁面上平均壓力
與流道中流線等高圖 75
圖26a:空穴B壓力差(Fluent)之比較圖
(模型B系列S=25mm) 76
圖26b:空穴B壓力差(Fluent)之比較圖
(模型B系列S=15mm) 76
圖27:徑向位移固定(S=25mm),改變軸向位移(d)時,
其對應之流線等高圖(模型B系列) 77
圖28:徑向位移固定(S=25mm),改變軸向位移(d)時,
其對應之壓力分佈圖(模型B系列) 78
圖29:軸向位移固定(d=5mm),改變徑向間隙時,
其對應之流線等高圖(模型B系列) 79
圖30a:模型BS25d4h2之流線等高線圖 80
圖30b:模型BS25d4h3之流線等高線圖 80
圖31a:空穴A壓力差(Fluent)之比較圖
(模型B系列S=25mm) 81
圖31b:空穴A壓力差(Fluent)之比較圖
(模型B系列S=15mm) 81
圖32 a:空穴C壓力差(Fluent)之比較圖
(模型B系列S=25mm) 82
圖32 b:空穴C壓力差(Fluent)之比較圖
(模型B系列S=15mm) 82
圖33a:任意鎖緊圈數之壓力分佈圖(模型B系列) 83
圖33b:固定鎖緊圈數之壓力分佈圖(模型B系列) 83
圖34a:正確的模型幾何形狀(模型B系列) 84
圖34b:錯誤的模型幾何形狀(模型B系列) 84
圖35:模型B (BS25d3h2)中,上壓蓋壁面上平均壓力
與流道中流線等高圖 85
表1:A系列模型組合 86
表2-1:B系列模型組合 87
表2-2:B系列模型組合 88
圖A-1:伺服馬達之校準曲線 89
圖A-2:壓力感測器校準曲線 89
模型A、B之實驗數據圖 90

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