刷式密封泄漏和传热特性影响因素的数值研究

刷式密封作为接触式密封,刷丝与转子之间的摩擦热直接影响到密封封严性能和使用寿命,为向高性能刷式密封的设计提供参考,采用数值求解基于Non-Darcian多孔介质模型的ReynoldsAveraged Navier-Stokes(RANS)和局部非热平衡能量方程并结合有限元方法,建立了考虑刷丝束与转子摩擦热效应的刷式密封泄漏和传热特性分析的数学模型。研究了运行工况转速与压比和后夹板围栏高度对刷式密封泄漏和传热特性的影响规律。结果表明:不考虑刷丝束与转子的摩擦热效应时,刷式密封的泄漏量随转速升高略微降低;考虑摩擦热时,泄漏量因转速升高而显著降低,转速为8kr/min时泄漏量降低到0转速时的69%。刷丝最高温度随转速、压比和围栏高度增大而升高,刷丝束内部温度沿径向降低速率随压比和围栏高度增大而加快。高转速工况下转子产生离心伸长使其与刷丝之间的干涉量增大而影响摩擦热效应。     

基于三维实体建模的刷式密封传热机理数值研究

建立了基于三维实体建模的刷式密封传热特性求解模型,在验证数值模型准确性的基础上,分析了刷式密封流场与温度场分布特性,研究了压比、转速、干涉量和热流密度对刷丝最高温度的影响,揭示了刷式密封的传热机理。结果表明:高温区主要集中在末排刷丝与转子面接触位置,刷丝的最高温度随着压比、转速、干涉量和热流密度增加而增大,其中干涉量对刷丝最高温度的影响最为明显。当干涉量从0.1 mm增至0.7 mm时,刷丝的最高温度上升1.61倍;刷式密封热量的主要来源为刷丝与转子表面摩擦产生的热量,其传热形式包括导热和对流换热,摩擦热量通过导热形式进入刷丝和转子,当刷丝与转子之间的接触力增加时,摩擦热量增大,刷丝的最高温度升高,摩擦热量通过对流换热形式在流体和固体之间进行传递,热量散失主要形式为泄漏气流带走部分热量。      

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

基于流固耦合的刷式密封泄漏特性理论与实验

理论与实验两方面研究了刷式密封泄漏流动特性及影响因素。建立了考虑刷丝变形的刷式密封泄漏流动特性流固耦合理论模型,实验研究了刷式密封泄漏量随进出口压比和转速等的变化规律,并与理论求解模型对比验证。在此基础上,运用理论模型分析了不同结构参数对密封泄漏量的影响规律,验证了构造的刷式密封泄漏量理论计算公式的准确性。研究结果表明:径向间隙一定时,刷式密封泄漏量随压比的增大而近似线性增加,转速对刷式密封的泄漏量影响不大;刷丝直径和刷丝间隙通过影响气体在刷丝束区域有效流通面积来影响泄漏量,有效流通面积越小,泄漏量越小;反之,则越大;随着刷丝直径、刷丝轴向排数的增大,刷式密封泄漏量逐渐降低;随着刷丝间隙的增大,泄漏量逐渐增大;随着后挡板保护高度、刷丝与后挡板轴向间隙的增大,泄漏量先显著增大后缓慢增加,最后趋于稳定;所构造的泄漏量理论公式可以准确预测刷式密封的泄漏量,为刷式密封结构优化设计提供理论依据。      

刷式密封温度场数值研究

分析了刷式密封中摩擦生热和热传递的机理,在此基础上将刷丝区域视为各向异性多孔介质、用阻抗力表示刷丝对流体的阻碍作用、以摩擦热为热源建立了计算流体动力学(CFD)模型;得到了刷式密封区域的压力、速度以及温度场分布;并得出了密封区域最高温度和安装过盈量、密封压差的对应关系.结果表明刷丝与转子接触面上存在显著温升,温度场在径向呈阶梯状分布且温度值沿转子外法线方向衰减;密封区域流体对流和出口泄漏流对于温度分布影响较大.计算结果能为刷式密封结构设计、接触副材料选择和密封环安装方式提供参考和指导.      

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

刷式密封刷丝摩擦磨损特性实验研究

建立了基于柱面圆周摩擦的直接测力法与间接转矩法两种刷式密封摩擦因数实验识别模型,设计搭建了刷式密封摩擦磨损特性实验装置,设计加工了8种不同结构参数的刷式密封实验件,实验对比分析了两种摩擦因数识别模型的实验结果,研究了结构参数对刷丝与转子表面正压力影响、工况参数对刷丝摩擦因数影响、干涉量对刷丝磨损影响。结果表明：直接测力法与间接转矩法测得的刷丝摩擦因数彼此相差较小,直接测力法稳定性优于间接转矩法。刷式密封刷丝与转子表面静态和动态正压力均随后挡板保护高度的增加而增大,随刷丝径向长度的增加而减小,随刷丝束厚度的增加而增大;相同干涉量下,静态正压力大于动态正压力;刷式密封刷丝与转子表面正压力在干涉加载阶段大于干涉卸载阶段,在转速升高阶段大于转速降低阶段,刷丝表现出滞后效应。刷式密封刷丝摩擦因数随刷丝与转子间干涉量的增加而降低,随转子转速的增加而降低;随摩擦时长增加,摩擦因数在磨损初期先迅速降低,之后基本保持稳定。刷式密封刷丝磨损量随刷丝与转子间干涉量的增加而增大,刷丝与转子间干涉量由0.3 mm增加至0.4 mm时,刷丝磨损量增大了296.66%。     

刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性影响数值与实验研究

采用有限元分析与计算流体力学相结合的方法,建立了考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏流动特性求解模型,设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦磨损特性实验装置,实验研究了刷丝与转子间正压力特性,在实验验证数值计算准确性的基础上,研究了刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。研究结果表明:从刷丝束上游到下游,刷丝与转子间正压力和刷丝磨损长度均先减小后增大;刷丝磨损长度随干涉量、刷丝直径的增加而增大,随压比、刷丝长度的增加而减小。考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏量随压比、干涉量、刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度的增加而减小。提出泄漏量变化率表征刷丝磨损对刷式密封泄漏特性的影响程度,泄漏量变化率随刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度和压比的增加而减小;在压比为2.5的工况下,当刷丝直径从0.09 mm增至0.11 mm时,泄漏量变化率从9.53%增至19.18%;当刷丝长度从15.556 mm增至17.556 mm时,泄漏量变化率从13.47%降至5.38%。增加刷丝长度并减小刷丝直径可以降低刷丝磨损对刷式密封封严性能的影响。      

刷式密封刷丝变形与振动特性实验

刷式密封刷丝运动变形引起的泄漏损失、刷丝断裂等问题较为突出。本文分析刷式密封刷丝运动变形理论模型，设计搭建刷式密封刷丝变形与振动特性观测实验装置，设计加工了3种周向倾角的低滞后型刷式密封实验件，实验观测并研究刷式密封刷丝轴向变形特性，刷丝吹下效应、刷丝分层和刷丝振动特性，揭示刷式密封刷丝运动状态。研究结果表明，在进出口压比1.5~4工况下，刷式密封刷丝自由端轴向变形量随着压比的增大而近似线性增加，周向倾角对刷丝轴向变形影响不大。刷式密封前排刷丝吹下效应明显强于后排刷丝，随着周向倾角的增大，刷式密封刷丝吹下效应逐渐减弱，在本文研究工况下，周向倾角为50°、55°和60°的刷式密封刷丝最大吹下量分别为0.60、0.45和0.34 mm。刷式密封刷丝产生分层现象的主要原因是在气流力的作用下，刷丝束轴向产生变形，刷丝束自由端在不相等的转子表面轴向摩擦力作用下，刷丝束进一步产生不同步的变形量，导致刷丝束出现间隙进而形成刷丝分层现象。刷丝振动主要发生在刷丝密度相对松散的区域，且随着压比的增大而增强，刷丝自由端位移随时间呈振荡变化，其在轴向的振幅大于周向的振幅。     

Analysis of front plate＇s effect on low hysteresis brush seal

针对不同前板结构的低滞后刷式密封,采用多孔介质模型,进行流场计算,对计算得到的上游刷丝压力、速度分布、刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能以及刷式密封泄漏量进行分析,讨论对于低滞后刷式密封的性能的影响．分析表明：前板结构对上游刷丝压力、轴向速度分布以及刷式密封泄漏量无明显影响,对上游刷丝径向速度分布影响较大;无前板及过长前板结构,刷封上游靠近跑道区域湍流动能较大,前板开孔可降低刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能,减弱刷丝扰动的趋势．     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

前板结构对低滞后刷式密封性能影响分析

针对不同前板结构的低滞后刷式密封,采用多孔介质模型,进行流场计算,对计算得到的上游刷丝压力、速度分布、刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能以及刷式密封泄漏量进行分析,讨论对于低滞后刷式密封的性能的影响.分析表明:前板结构对上游刷丝压力、轴向速度分布以及刷式密封泄漏量无明显影响,对上游刷丝径向速度分布影响较大;无前板及过长前板结构,刷封上游靠近跑道区域湍流动能较大,前板开孔可降低刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能,减弱刷丝扰动的趋势.      

刷式密封吹下效应诱发机理流固耦合数值研究

分析了刷式密封吹下效应理论模型,建立基于arbitrary Lagrange-Euler(ALE)流固耦合方法的刷式密封吹下效应三维瞬态数值模型,在验证数值模型准确性的基础上,分别研究了刷丝轴向、径向和截面变形特性,量化分析了刷丝径向吹下量,揭示了刷式密封吹下效应诱发机理。研究表明:刷式密封吹下效应会减小刷丝径向间隙,考虑吹下效应可以更加准确地计算泄漏量。刷式密封吹下效应是伴随刷丝扰动的非定常变形形式,刷丝自由端相比于后挡板径向中部和末端的刷丝截面,其吹下效应和刷丝扰动均较强。随着进出口压比的增加,刷式密封刷丝在具有更大径向吹下量的同时也伴随着更强的刷丝扰动,在研究工况下,2、3和4进出口压比下的刷丝束中部刷丝最大径向吹下量分别为0.004、0.010 mm和0.019 mm。刷丝具有一定的周向倾角和刷丝束区域的径向压力梯度是诱发刷式密封吹下效应的初始条件,且刷丝间的法向正压力和切向摩擦力会进一步影响吹下效应。增大刷丝周向倾角可以减弱刷式密封吹下效应。