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。      

考虑间隙变化的旋转篦齿流动特性实验

对台阶型封严篦齿流动特性进行了实验研究。考虑齿顶间隙变化,研究了不同压比(1.1~1.6),不同转速(0~8 100r/min)对篦齿泄漏流量、流量系数、风阻温升的影响。通过测量转盘和静止机匣的径向变形来获得篦齿工作间隙。利用插值法保证间隙一定,研究了转速这一个单一变量对篦齿封严流动特性的影响。结果表明:随着压比增大,泄漏流量增大,流量系数增大,小压比(压比为1.3)时增长较快,齿顶间隙微弱降低,风阻温升减小。随着转速的增加,泄漏流量和流量系数降低,齿顶间隙减小,风阻温升增大。间隙一定时,转速增加有利于提高篦齿密封特性。     

低前挡板型小尺寸刷式封严泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了实验研究.转子的轴心位移采用电涡流传感器进行测量，其测量结果表明:压差小于0.4MPa时，转子轴心位移随压差的增大略有减小；当压差达到0.4MPa后，其轴心位移范围不再随压差而变化；在不考虑磨损的情况下轴心位移对不同配合状态的封严泄漏特性基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上，试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小；间隙配合下有明显的滞后，过盈配合下滞后不明显；磨损对泄漏的影响在过盈配合下比较显著；间隙配合下压差在0.1～0.2MPa泄漏系数随压差的升高而增大，压差为0.3MPa时泄漏系数降低，0.3MPa以后泄漏系数变化趋于稳定；过盈配合下泄漏系数随压差的升高总体呈增大趋势，压差在0.3～0.5MPa时增大的趋势较小，泄漏系数较为稳定.      

基于系统响应特征的指尖密封泄漏特性分析

结合指尖密封动态工作特点,通过研究转速和转子不平衡力与转子跳动之间的关联规律,得到转子的位移激励,构建了指尖密封系统的动态计算模型,依据指尖密封的系统响应特征研究其泄漏间隙的获取办法,进而基于泄漏间隙特征建立了指尖密封动态泄漏量计算方法.针对某型发动机转子进行了动态泄漏量分析,结果表明:在转子每个转动周期内,指尖密封的动态响应跟随转子激励周期性变化,由此产生的动态迟滞泄漏间隙也随时间而周期性变化,迟滞泄漏的大小随着密封上下游压差的增加而增大,随着转子转速的升高先增加后减小;设置一定的装配过盈量能够一定程度地减小迟滞泄漏;指尖密封磨损后迟滞泄漏规律表现出先减小后增加再降低的变化趋势;与国内外试验结果的对比分析初步验证了提出的计算方法,为指尖密封动态性能设计方法研究提供了参考.      

指尖封严的转子轴心轨迹与泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的指尖封严组件的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了试验.转子的轴心轨迹采用电涡流传感器进行测量,其测量结果表明:转速越大,转子轴心的偏移越小;在不考虑磨损的情况下轴心偏移对配合状态基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上,试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小;过渡和间隙配合时,在压差小于0.3MPa时泄漏系数随压差增加而增大,压差达到0.3MPa后,泄漏系数趋于平缓;过盈配合时压差对泄漏系数没有明显的影响;泄漏系数随封严间隙的减小而减小,随过盈量的增大而减小.      

直通型篦齿封严特性的试验

对真实尺寸下直通型篦齿的封严特性进行了试验,考察了几何参数及转速对篦齿封严特性的影响,结果表明:①在试验范围内,篦齿泄漏系数均随雷诺数的增加而增大;②泄漏系数随齿数的增加而降低;③同一雷诺数下,间隙较小时泄漏系数较大;④小间隙(s=0.4,0.5 mm)时,转速对泄漏系数的影响不大;间隙为s=0.6 mm时,转速影响泄漏系数的界限为2 000 r/min.      

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。     

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。     

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。      

考虑刷丝变形的刷式密封流场特性与力学特性流固耦合研究

应用双向流固耦合与动网格技术,建立了考虑刷丝变形的刷式密封流场与力学特性双向流固耦合瞬态三维求解模型.首先应用悬臂梁理论建立了刷丝的力学理论模型,将该流固耦合方法计算结果分别与理论模型和实验结果相互验证,在此基础上,分析了刷式密封的流场特性、刷丝的变形规律与应力特性以及刷式密封的滞后特性.研究结果表明:刷丝在气流力作用下会产生摆振运动,刷丝根部所受的应力也随着刷丝摆振运动而呈振荡变化;刷丝变形增大了刷丝与转子面间隙导致密封泄漏量增大,随着刷丝排数的增加,泄漏量先迅速下降,然后下降速度趋缓,最后趋于稳定;刷式密封随着末排刷丝与后挡板轴向间隙的增大,后挡板处相对压力系数逐渐降低,增加末排刷丝与后挡板的轴向间隙可有效降低滞后效应.      

圆弧型指尖密封磨损计算方法及其特性研究

指尖密封是一种新型的接触式密封技术,磨损的存在制约着其密封性能的提升。为揭示圆弧型指尖密封磨损规律,根据其结构特点分析了指尖封严的磨损过程,构建了指尖密封体积磨损量关于时间的一阶线性非齐次微分方程,求解得到指尖密封中磨损量和磨损率计算的数学计算模型,并研究了结构参数对指尖密封磨损的影响。研究结果表明：指尖密封的体积磨损量随磨损时间呈指数增加趋势,初始阶段体积磨损量增加速度快,并随着磨损进行逐渐变慢,最终趋于某一定值;指式封严的磨损率随磨损时间的增加而呈指数趋势减小,开始阶段磨损率很大,随着磨损时间逐渐减小,最后磨损率逐渐趋于零;对指尖密封磨损快慢影响程度由大到小依次是：指梁厚度、指梁根圆、指梁顶圆、指梁基圆、指梁型线圆、周向角、指梁间隙。获得的结构参数对圆弧型指尖密封磨损特性影响规律,为圆弧型指尖密封性能优化提供了理论依据。     

指尖封严磨损特性及其对泄漏影响的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合的指尖封严的磨损特性及其对泄漏的影响进行了试验研究,分析了不同配合状态下封严件与转子的磨损现象、磨损长度以及封严泄漏系数的分布.试验结果表明:封严磨损随封严与转子相对滑动距离增大而增加；间隙配合状态下,封严出现局部磨损,磨损及其对泄漏的影响主要发生试验初始阶段；过盈配合时,封严件整体均出现磨损,且磨损发生在整个试验阶段,磨损对泄漏的影响在初始阶段较大、之后逐渐减小；封严的间隙越小(过盈量越大),磨损对泄漏影响越大.      

指尖密封泄漏特性数值计算与试验研究

为了研究不同压差和转速下指尖密封的泄漏特性,建立了CFD多孔介质数值计算模型,计算分析了某型航空发动机指尖密封泄漏特性。为有效验证数值计算模型的有效性,进行了一定压差、转速工况下指尖密封泄漏特性试验。针对压差和转子离心膨胀导致的多孔介质参数改变,根据试验结果对计算方法进行了分析,引入了压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k,并对修正系数进行了确定及验证。结果表明,未引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k时,计算得到的指尖密封泄漏特性与试验值会随着压差和转速的增加而偏离;引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k后,计算结果与试验值一致,未随着压差和转速的增加而偏离,最大偏差小于11%,平均偏差小于6%。     

表面织构靴底流体动压指尖密封的性能分析

表面织构靴底流体动压指尖密封是本文提出的一种新型柔性气体密封。建立了具有圆形微坑表面织构靴底的指尖密封分析模型,采用流固耦合有限元数值计算方法,分析了不同工况和织构结构条件下表面织构靴底流体动压指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征。结果表明具有圆形微坑织构靴底的指尖密封具有较低的泄漏率和较高的气膜承载力,通过与现有典型人字槽流体动压指尖密封和接触式指尖密封的性能对比,进一步说明了表面织构靴底指尖密封的综合性能优势。流体压差对表面织构靴底流体动压指尖密封的性能影响较大;压差较大时,适当增大微坑直径、减小微坑深度、采用均匀分布的微坑结构形式,有利于提高密封性能。本文工作为设计性能良好的指尖密封结构提供了一种新思路。     

指尖密封泄漏流动的数值仿真分析

介绍了指尖密封的基本结构,并根据指尖密封的结构特点,提出了指尖密封泄漏流动的数学模型和计算模型。针对影响指尖密封封严特性的主要影响因素,用FLUENT流体分析计算软件对该计算模型进行了数值仿真计算,最后给出了数值仿真计算的结论。      

基于多孔介质的指尖密封各向异性传热模型

在指尖密封多孔介质流动模型的基础上，将指尖密封片之间的接触传热附加于固体导热之中，之后通过对密封固体结构与结构内流体的耦合各向异性传热进行理论分析，建立了指尖密封各向异性传热数学模型；基于商业软件Fluent中的用户自定义标量（UDS）方程功能，开发了多孔介质各向异性传热数值计算模块，并数值模拟了指尖密封结构内的流动与传热特性。结果表明:指梁与指尖靴区域的各向异性有效导热系数张量与孔隙率、径向和周向位置以及轴向接触热阻等因素相关；指尖密封最高温度出现在指尖靴与转子接触面的略下游处；与各向同性传热模型相比，采用各向异性传热模型时,指梁下部和指尖靴区域沿径向和轴向存在较大温度梯度，但温度沿周向的变化两者均很小；泄漏量随着压差的增加逐渐增大，随着转子转速的增加基本不变；指尖密封最高温度值随着压差的增加逐渐减小，随着转子转速的增加逐渐增大。      

考虑磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性分析

接触式指尖密封在工作过程中不可避免地会发生磨损,而磨损又会改变其泄漏特性进而影响旋转机械的效率。为了揭示磨损对指尖密封泄漏特性的影响规律,本文在指尖密封多孔介质流动分析模型的基础之上,建立了考虑转子离心膨胀和磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性数值分析模型,数值研究了转速和安装过盈量对指尖密封磨损及其对应的泄漏特性的影响规律。结果表明：考虑磨损效应时,指尖密封泄漏量随磨损时间的增加呈现出先减小后增大的趋势;转子转速越低,泄漏量降低至最小值所需的磨损时间越长,但最小泄漏量及其所对应的瞬态配合过盈量始终一致;安装过盈量越小,泄漏量降低至最小值所需的磨损时间越短,但最小泄漏量所对应的瞬态配合过盈量始终一致;此外,在任意磨损时刻,密封上下游压差越大泄漏量也越大。     

动压式指尖密封工作状态及其影响的流固耦合分析

建立了动压式指尖密封流固耦合的模型和计算方法,对转子起动时该密封的工作状态进行了流固耦合仿真;研究了泄漏率、耦合面径向力随时间的变化情况;提出了稳态下评价该密封性能的参数——泄漏率和耦合面径向力;分析了工况条件及流层参数对性能参数的影响.研究发现:转子起动至稳定阶段时,泄漏率迅速减少达到稳定状态,耦合面径向力达到最大值后有所降低并最终趋于稳定,满足密封低泄漏、非接触的工作要求.该工作为开展动压式指尖密封性能优化奠定了基础.      

Dynamic performance of a C/C composite finger seal in a tilting mode

The complex operating state of aeroengines has an impact on the performance of finger seals.However,little work has been focused on the issue and the dynamic performance of finger seals is also rarely studied.Therefore,a distributed mass equivalent model considering working conditions is proposed in this paper for solving the existing problems.The effects of the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle of a C/C composite on the dynamic performance of a finger seal are investigated in rotor tilt based on the proposed model.The difference between the C/C composite finger seal performances under the rotor precession and nutation tilt cases is also investigated.The results show that the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle have an influence on the dynamic performance of the finger seal as rotor tilt is considered,and the dynamic performance of the finger seal is different in the two kinds of tilting modes.In addition,a novel method for design of finger seals is presented based on the contact pressure between finger boots and the rotor.Finger seals with good leakage rates and low wear can be acquired in this method.     

高速水润滑机械密封的两相流热振动现象

处在高速、快速启动、低黏度介质润滑下的低温高速涡轮泵轴端机械密封性能与常规密封的性能发生了显著的变化，主要因素在于高速的振动影响、低黏度介质下的较差润滑性。以水为模拟介质，研究了低黏度介质下高速机械密封的运转性能，特别是气液两相流问题，实验过程中发现了两相流介质诱发的热振动问题，其机理可能在于受压缩有限空间内的流体可压缩性的变化导致。测试结果表明，在水润滑升速工况下，机械密封虽能够保持好的密封性能，但其性能变化规律较为复杂；在接触端面从接触到非接触状态的转变过程以及稳定运转过程中均存在两相流状态，密封端面温升和摩擦力存在明显的低频振荡，温度振荡可达30℃；出现汽化两相流的情况下，理论计算的结果与试验结果在升速时误差可达到50%以上。随着密封闭合力的增加，密封会出现明显的两相流现象，相变引起的温度和摩擦力的振荡可归结为一类流体密封的自激振动现象。