新型浮动式收敛袋型密封自适应同心性能数值与实验研究

提出了新型浮动式收敛袋型密封结构，建立了新型收敛袋型密封数值求解模型，研究新型收敛袋型密封周向压力分布规律，分析进出口压比和偏心率对新型收敛袋型密封泄漏量及浮动同心力的影响。设计搭建了浮动式自同心密封实验台，在数值计算结果与实验测试结果相互验证的基础上，研究进出口压比和偏心率对新型浮动式收敛袋型密封泄漏量及自适应同心性能的影响。研究结果表明：在本文研究工况下，新型收敛袋型密封所产生的浮动同心力是传统迷宫密封的8.9~10.9倍。在不同进出口压比和偏心率下，传统浮动式迷宫密封均始终处于初始偏心位置，自适应同心性能较差。新型浮动式收敛袋型密封均向转子轴心方向移动，且随着进出口压比和偏心率的增大，浮动响应时间缩短，自适应同心性能增强。新型浮动式收敛袋型密封具有良好的浮动响应特性和自适应同心性能。     

偏心密封动力特性分析与新型自同心密封研究

密封气流激振引起的转子失稳已成为发展高性能透平机械的瓶颈问题。为了研究偏心率对密封动力特性及转子稳定性的影响规律,揭示转子偏心诱发密封气流激振的机理,采用非定常动网格技术方法,建立了多频椭圆涡动轨迹的密封动力特性求解模型。在此基础上,提出了新型浮动式自同心密封结构,包含密封环浮动式和密封环自适应同心两大理念,分析了新型密封的工作原理以及力学特性。结果表明:密封的等效刚度和等效阻尼随着偏心率的增大而减小。不同涡动频率下,当偏心率增加到0.7时,等效阻尼相比于同心密封下降幅度达到33%~76%。随着偏心率的增大,密封气流力对转子做功增加,降低了转子系统稳定性;随着偏心率的增加,密封流体动压效应增强,密封气流激振力增大,转子系统稳定性降低,偏心转子密封流体动压效应是产生密封气流激振的主要原因;新型浮动式自同心密封的工作原理及动力学特性分析结果表明,新型密封具有自适应同心功能。     

周向发散式袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性数值研究

提出一种周向发散式袋型阻尼密封结构,建立了袋型阻尼密封多频椭圆涡动求解模型,在实验验证求解模型准确性的基础上,研究了进出口压比、偏心率对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了两种袋型阻尼密封的转子稳定性.结果表明:两种袋型阻尼密封的泄漏量平均相差0.89％,两者泄漏特性相当.传统袋型阻尼密封在转子偏心状态时各腔室...     

锥形间隙孔型阻尼密封动力特性分析及抑振机理

应用非定常动网格技术建立了锥形间隙孔型阻尼密封动力特性多频椭圆涡动求解模型,研究了锥形度和涡动频率对孔型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了锥形间隙孔型阻尼密封的抑振机理。结果表明:锥形间隙增强了孔型阻尼密封的泄漏直通效应,增加了密封泄漏量。在平均间隙相等的情况下,收敛间隙孔型阻尼密封泄漏量小于发散间隙孔型阻尼密封;在同一涡动频率下,刚度系数随着锥形度的增加而增大,阻尼系数随着锥形度的增加而减小;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的正直接刚度,增加了转子系统的固有频率,发散间隙孔型阻尼密封产生较大的负直接刚度;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的有效刚度和穿越频率,较小的有效阻尼,发散间隙孔型阻尼密封具有较大的有效阻尼,较小的有效刚度和穿越频率;在锥形间隙孔型阻尼密封结构设计时,需要同时考虑转子系统固有频率和同心度的影响。      

透平机械动密封动力特性数值方法研究

密封动力特性系数是评价透平机械转子稳定性的重要参数。对现有密封动力特性数值方法进行了综述,为了比较分析不同的密封动力特性数值方法,分别建立了基于控制体方法的双控体求解模型和基于CFD方法的稳态旋转坐标系与瞬态转子平动、转子单/多频椭圆涡动求解模型,综合比较分析了控制体法、CFD稳态旋转坐标系法和CFD瞬态平动法、单/多频法之间的差异以及适用范围,研究了转子涡动频率对密封气流力和动力特性系数的影响。研究结果表明:控制体法求解速度较快,但求解精度较低,稳态旋转坐标系法只适用于转子做小轨迹同心涡动的求解模型,瞬态平动法求解速度较慢;瞬态单/多频法考虑了转子的涡动频率,更符合密封的实际工作情况;应用瞬态单/多频法得到的密封气流力变化频率与转子涡动频率相同,但气流力的相位滞后于转子涡动位移的相位;密封的直接刚度系数随着转子涡动频率的增加而增大,交叉刚度系数和阻尼系数的绝对值随着转子涡动频率的增加而减小。     

负错位密封静力与动力特性的数值研究

提出了一种抑制气流激振力的负错位密封结构，建立了基于瞬态流场CFD动网格技术的负错位密封静力与动力特性求解模型，分析了偏心率、错位率等因素对密封泄漏量、周向压力、气流力与动力特性系数及密封转子稳定性的影响.结果表明:密封的泄漏量随偏心率与错位率的增加而增大；密封间隙流体周向压力呈正弦规律分布；与传统圆形密封相比，负错位密封形成发散的楔形间隙，降低流体动压效应，降低周向压力差，减小密封的切向力；随着偏心率的增加，密封的直接与交叉刚度以及交叉阻尼的绝对值均增大，直接阻尼降低；与传统圆形密封结构相比，该型密封可有效降低密封的交叉刚度，增加主阻尼，提高等效刚度与等效阻尼，改善了密封的稳定性.      

基于阻抗法的密封动力特性系数实验识别

搭建并优化了密封动力特性系数实验识别装置，应用阻抗法对梳齿密封动力特性系数开展实验识别，研究转速、进口压力和涡动频率对密封动力特性系数的影响。应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法对密封动力学特性进行了数值计算分析，与实验结果进行对比分析。结果表明：实验识别梳齿密封动力特性系数整体上略高于数值计算结果，但趋势上吻合良好，特别是表征系统稳定性的密封有效阻尼系数，数值与实验具有良好的一致性。梳齿密封动力特性系数在转子低频(<100 Hz)涡动时存在一定的频率依赖性，高频(>100 Hz)时阻尼系数的频率依赖性较弱。实验和数值模拟均表明，相较于转速，压比的变化对密封有效阻尼系数的影响更大。     

凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性影响机理

采用非定常动网格技术建立了袋型阻尼密封泄漏特性和动力特性多频椭圆涡动求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了压比、转速和凹槽位置不同时凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了袋型阻尼密封轴向与周向的流速和压力分布特性,揭示了凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性和动力特性的影响机理.研究表明:凹槽射流增强了...     

小孔节流动静压混合式浮动环密封承载与泄漏特性分析

为了解决传统浮动环密封存在的摩擦磨损问题,提出一种采用小孔节流的动静压混合式浮动环密封(HFRS)。核心是通过创新设计将密封介质从径向节流孔引入密封界面,使密封间隙内的流体膜同时具有静压和动压承载效应,显著提升浮动环密封承载性能而不需要外部条件。为了研究其承载和泄漏特性,建立了考虑入口压力损失和节流孔影响的HFRS承载力模型和泄漏量计算方法。采用有限差分法(FDM)及数值迭代程序计算流场压力分布,并分析获得转速、偏心率和密封介质压力对承载力、刚度、偏位角和泄漏量的影响规律。与传统直孔式浮动环密封(FRS)对比,在典型工况下（偏心率ε=0.5、转速Ω=20000r/min）,HFRS的承载力是FRS的2.53倍,且在低速甚至转速为零时HFRS仍具有较大的承载力,另一方面HFRS的泄漏量比FRS大5.4%。与FRS对比结果表明,HFRS的承载力显著提升,而泄漏量略有增大。     

蜂窝密封泄漏特性理论与实验

蜂窝密封的泄漏特性直接影响航空发动机的工作效率。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法系统研究蜂窝密封的泄漏特性。建立了蜂窝密封流场特性CFD求解模型,数值分析了转速、进出口压比、蜂窝孔对边距、蜂窝孔深、蜂窝壁厚等因素对密封泄漏量的影响,揭示了蜂窝密封的封严机理。设计搭建了蜂窝密封泄漏特性实验台,实验研究了进出口压比、转速等因素对蜂窝密封泄漏特性的影响。数值分析与实验测试相互验证,在此基础上,考虑蜂窝密封泄漏特性影响因素,结合传统经典迷宫密封泄漏量Egli公式,构造了蜂窝密封泄漏量计算公式。研究结果表明,蜂窝密封的孔深、对边距和壁厚是通过影响蜂窝孔中涡系的发展和蜂窝孔的密度来影响泄漏量的。涡系发展的越充分,蜂窝孔的密度越大,蜂窝密封的泄漏量就越小;转速对蜂窝密封泄漏量影响较小;蜂窝密封的泄漏量随进出口压比的增加而增大,两者近似呈线性关系;随着蜂窝孔深度增加,蜂窝密封泄漏量先逐渐减小后逐渐趋于平稳;随着蜂窝孔对边距增加,密封泄漏量先减小,后出现了小幅度的增加;随着蜂窝壁厚的增加,蜂窝密封泄漏量先近似线性增大后缓慢增大。本文研究为蜂窝密封结构设计提供理论依据。     

Leakage performance of floating ring seal in cold/hot state for aero-engine

Rotating experimental investigations were carried out to study the oil sealing capability of two different floating ring seals in cold/hot state for aero-engine. High-speed Floating Ring Seal(HFRS) is a seal with the inner diameter of 83.72 mm and maximum speed of 38000 r/min, and Low-speed Floating Ring Seal(LFRS) is another seal with the inner diameter of 40.01 mm and maximum speed of 18000 r/min. In hot state, sealing air with the temperature of 371 K and oil with the temperature of 343 K was employed to model the working conditions of an aero-engine. Comparisons between floating ring seal and labyrinth seal were done to inspect the leakage performance.More attention was paid to the critical pressure ratio where the oil leakage began. Results show that the critical pressure ratio in cold state is obviously larger than that in hot state for both seals. An underlying sealing mechanism for floating ring seal is clarified by the fluid film, which closely associates with the dimensionless parameter of clearance over rotating diameter(2 c/Dr). Another fantastic phenomenon is that the leakage coefficient in hot state, not the leakage magnitude, is unexpectedly larger than that in cold state. Overall, the leakage performance of the floating ring seal is better than the labyrinth seal.     

Effects of swirl brake axial arrangement on the leakage performance and rotor stability of labyrinth seals

Swirl brakes are usually introduced at the seal entrance in industry to improve the seal stability, especially for labyrinth seals suffering low seal clearance and high inlet preswirl ratio. However, how to arrange swirl brakes at the seal entrance to obtain better seal stability retains unknown, such as the axial distance between the brake trailing edge and the first tooth. To this end, the effects of the distance between brakes and the first tooth on the leakage flow rate and seal rotordynamic coefficients were numerically investigated at typical inlet preswirl ratios of 0.45 and 0.8, and the predicted results were in comparison with the results for no-brake configuration. The obtained results disclose that the brake configuration arranged against the first tooth produces lower circumferential velocity in the downstream of the brakes as a result of the larger counter-clockwise vortex moving from the brake trailing edge to the brake leading edge when compared to the brake configuration away from the first tooth. Besides, the dropped circumferential velocity in the downstream of brakes will cause larger pressure fluctuation in the circumferential direction and thus generates larger tangential force to restrain the rotor forward whirl. On the other hand, the effective damping is further increased when the distance between brakes and the first tooth decreases to zero, that is, the crossover frequency is even disappeared at the inlet preswirl ratio of 0.45 and successfully drops from 69.9 Hz to 32.7 Hz at the preswirl ratio of 0.8.     

密封-转子系统气流激振问题数值仿真

对于密封中发生气流激振的故障诊断问题,基于有限元方法,应用Muzynska非线性密封力模型建立了密封-转子系统动力学模型,通过数值积分方法研究了升/降速过程的气流激振失稳规律和振动特性,并分析了在变速和稳速情况下偏心量的影响。结果表明:气流激振力会使系统固有频率升高,使发生共振时的振幅降低;发生气流激振会出现锁频现象并伴有组合频率特征;降速时由于气体的流动性强从而导致切向惯性力很弱,惯性效应不明显;当偏心量较小时频谱上只出现了锁频,随着偏心增大组合频率出现并不断丰富;稳速时气流激振频率随偏心的提高而增大,并出现了频率突变。      

用于转子系统的气膜密封阻尼结构稳态特性

针对航空发动机转子既转动又进动的运转情况,推导用于转子系统的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构(gas film seal damper,GFSD)雷诺方程.基于GFSD运动方程和位移协调关系,建立转子－气膜－金属橡胶三者之间的流固耦合关系,确定稳态压力场求解流程,并提出金属橡胶刚度的定量设计方法.采用有限差分法求解稳态压力场,研究GFSD工作参数和结构参数对稳态特性的影响,为GFSD结构参数设计提供参考,最后与直通式篦齿封严的泄漏量进行比较.结果表明:合理设计金属橡胶刚度能够使GFSD自适应地调节气膜间隙;在保证动压润滑的基础上,选取大长径比、小金属橡胶刚度和密封间隙能够使GFSD具有良好的稳态特性;GFSD的泄漏量远小于直通式篦齿封严,能够满足现代航空发动机中高进出口压比下的封严需要.      

耦合热、动载荷的超超临界汽轮机迷宫密封动力特性

密封汽流激振严重影响超超临界汽轮机的安全运行,采用DEFINE_CG_MOTION和DEFINE_PROFILE控制宏建立转子的涡动方程,通过Workbench流固耦合方法计算热、动载荷下密封齿形变,根据快速傅里叶变化得到机组运行时的密封动力特性,并对转子稳定性进行分析。结果表明:蒸汽可导致密封齿膨胀变形,温度对密封齿长度变化影响可达1%~1.5%,压力和离心作用对其影响较小。热、动载荷使迷宫密封直接刚度减小,直接阻尼先增加后减小,交叉刚度先减小后增加,动力系数的最大变化为原来的2倍。35~55 Hz内转子稳定裕度急剧下降,转子对密封汽流激振更敏感。热、动载荷引起的压力波动集中在低频范围,密封周向压力波动可增高18.5 kPa。密封高压区的压力波幅剧增是汽流激振显著的主要原因。