新型浮动式收敛袋型密封动力特性与自适应同心性能数值研究

提出新型浮动式收敛袋型密封结构,建立新型收敛袋型密封与传统迷宫密封多频椭圆涡动动力特性求解模型,研究转速、进出口压比及偏心率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封浮动同心力的影响,对比分析涡动频率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封动力特性系数的影响,基于有效刚度系数定量分析浮动密封的自适应同心性能.研究结果表明:随着转速、进出...     

转子倾斜对交错式迷宫密封动静特性的影响

建立了交错式迷宫密封数值分析模型,并通过基于微元理论的密封动力特性系数理论识别方法研究了转子倾斜对密封动静特性的影响。结果表明：转子倾斜可降低交错式迷宫密封泄漏量,倾斜角为0.6°时泄漏量降低约2.5%,且进出口压比越大,效果越显著;转子倾斜带来的交错式密封腔室几何形状与齿径向间隙变化使得腔室在周向存在压力分布不均,且随倾斜角增加而增大;密封各腔室对系统稳定性影响规律不同,与交错式迷宫密封腔室的几何特性有关,密封腔室进口靠近转子、出口远离转子的腔室局部出现逆转动方向的速度场,能提高密封系统稳定性,而密封腔室进口远离转子、出口靠近转子的腔室则降低系统稳定性;整个密封段的有效阻尼随倾斜角增大而增大,转子在密封段中心倾斜不会降低交错式迷宫系统的稳定性。     

预旋对蜂窝密封和迷宫密封内流动传热特性影响

采用数值求解三维雷诺平均纳维尔-斯托克斯(RANS)方程技术,研究了进口预旋对典型航空发动机用光滑面迷宫密封和蜂窝密封的泄漏流动和传热特性的影响规律.计算了-0.3,0,+0.3三种预旋工况下,两种密封的流动特性和温升特性随压比的变化关系.计算结果表明:预旋对密封的泄漏特性和子午面上的流场形态的影响十分微弱;在相同压比条件下,正预旋会导致密封的总温升减小,而负预旋会导致密封总温升增大;蜂窝面的阻尼作用会削弱预旋对密封内温升特性的影响;进口无预旋或施加正预旋时,蜂窝密封的间隙热能比光滑面迷宫密封大,但进口施加负预旋时恰好相反.      

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。      

基于流固热耦合的非金属迷宫密封泄漏特性与公式构造

建立了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏特性流固热耦合数值求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了聚醚醚酮（PEEK）、填充30%碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK-CA30）和铝合金三种材料迷宫密封在不同压比、温度下的流场特性、结构力学特性与泄漏特性,并基于Vermes公式构造了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量理论公式。研究结果表明:建立的迷宫密封流固热耦合模型可以准确计算非金属密封齿的变形量和变形后的泄漏量。在研究的三种材料中,采用PEEK-CA30材料密封齿的变形量相对较小,占密封齿径向长度的0.35%~0.67%,其密封性能较好,相比于未考虑齿变形密封的泄漏量增加1.2%~6.8%。当温度高于500 K,压比大于3时,采用铝合金材料密封齿的最大等效应力达到材料的屈服极限而引起密封件失效。所构造的泄漏量理论公式能够准确预测考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量,为非金属迷宫密封泄漏特性分析提供理论依据。      

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。     

柱面气膜密封界面结构与性能分析

选择并针对柱面气膜密封中六种典型的螺旋槽派生界面结构,基于有限元数值分析方法进行了气膜力学特性及密封特性的定量计算和分析比较;建立了不同界面型式的密封特性与可压缩数、膜厚的关系曲线;研究分析了不同界面结构密封特性变化特点和应用中的优劣势,为密封系统研究和设计选型提供了理论基础及指导.分析中的每种密封界面结构参数均为依据有关文献选取的优化或近似优化数据,采用的计算分析方法可拓展应用到其他结构中.      

转子振动对直通式迷宫密封性能的影响

为了研究振动转子与迷宫密封之间的相互作用及影响,针对迷宫密封内转子振动效应对密封流场、泄漏特性以及转子受力等方面的问题进行了分析。通过建立迷宫密封-转子动力学模型,对密封所对应的转子在三组转速条件下进行转子动力学计算,得出相应转速下对应的振动频率及振动振幅;将计算求得的振动振幅及频率作为边界条件对密封流场进行非定常流场计算,得出不同工况下的密封流场计算结果。通过对迷宫密封间隙内流场以及转子所受气体力的分析,表明转子的振动现象可使迷宫密封的泄漏量增幅达约4.5%;同时流场的变化会对转子产生额外的气体作用力,该气体力将对转子的振动趋势产生影响。     

间隙变化对新型涡轮密封气动性能影响的数值分析

针对涡轮叶顶密封性能的提高,对圆形凹槽式迷宫密封的密封特性进行了研究。通过数值模拟一级半涡轮叶冠内及转子出口处的流场结构,分析了密封作用机理,密封间隙变化与泄漏损失以及掺混损失之间的关系。结果表明,圆形凹槽的容积效应促使泄漏流发生小角度偏转,降低了泄漏损失与掺混损失;密封间隙分别为0.3mm,0.5mm时,凹槽的存在改变了腔室内涡流涡核的位置;不存在凹槽时,间隙由0.3mm增大到2mm,泄漏系数增大53.3%;存在凹槽时,泄漏系数增大47.7%;间隙增大到1mm,掺混损失明显增大,凹槽密封掺混损失相对于光滑面密封掺混损失减少量保持在0.044左右。     

迷宫螺旋泵和密封的数值分析

 对迷宫螺旋体内的流动提出了若干假定;建立了流动模型;简化了Navior-Stokes方程和连续方程。选用轴及套筒上两组斜交螺纹所围成的蜂窝状空间作为计算区。在计算区内截取两组沿螺纹方向的斜交截面,采用涡量流函数法求出截面上的平面流动解。根据两组截面交线上速度唯一的条件,用一组平面解的已知速度作为给定数据输给另一组平面求出其平面解。如此将两组平面解交替迭代,最后得到的收敛值即该区的空间流动解。将所有蜂窝体内的压力和流量综合起来,就得到迷宫螺旋体的泵特性和密封特性。     

篦齿封严装置流动诱导力的计算

本文以文献[1、2]的模型和方法为基础,对篦齿封严装置的流动诱导力作了一些研究导出有些不同的线化公式,算例结果也有所不同。      

直通式封严篦齿内部流动和换热的实验研究

为了研究外界因素对高推动比航空发动机中密封装置性能的影响,介绍了在吸气式内流传热风洞实验台测量了不同雷诺数和不同齿顶厚和齿隙比的工况下对篦齿腔内部流动的影响规律, 并利用该实验台对篦齿顶板表面的换热特性进行了研究． 测量结果说明了在篦齿腔中旋涡的分布及雷诺数变化对旋涡分布的影响．并得出了在不同雷诺数和Ｔ／Ｃ工况下对篦齿顶板表面换热特性的影响     

迷宫式密封装置气弹力的计算

采用射流理论和BLASIUS圆管理论, 导出了密封中各个动力系数的表达式, 使密封中各个动力系数的计算更加实用、简单。      

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。     

迷宫通道内部流动和泄漏特性的数值分析

求解非定常N-S方程, 数值预测了深宽比H/W分别为0.1、0.3和0.5的单空腔直齿迷宫通道的内部流动, 计算结果展示了流动结构的振荡及出口泄漏量下降和回升的波动。3种结构的密封效果优劣与泄漏量波动幅度大小相对应, 其排列顺序是深宽比H/W分别为0.3、0.5和0.1的结构。还讨论了涡运动与涡合并、分离泡的迁移、射流的弯曲及对空腔壁面的冲击等复杂物理过程的内在联系, 分析了射流冲击所产生的多种效应对增加能耗减小泄漏的作用。      

旋转状态下篦齿流量特性试验研究

篦齿是航空发动机中非常重要的密封流动单元。本文用试验方法研究了2齿和10齿直通型篦齿在旋转状态下的流量特性,获得了篦齿流量特性随进出口压比的变化关系,同时测量了不同转速下篦齿各齿间压力。结果表明:在低压比(<1.8)、低转速(<1 000 r/min)情况下,旋转对篦齿流量特性影响较小;但随着转速的升高,同一压比下,流量系数会降低,在转速2 500 r/min时,流量系数比静止状态时降低了约8%,齿间压力也有一定程度的下降。     

基于逆向射流抑制封严篦齿泄漏流动的数值及实验研究

针对一直通型篦齿通道进行了二维数值模拟,建立了9种封严结构模型,重点研究了位置和角度变化时逆向射流对篦齿内部流场的影响,探讨了不同模型下篦齿前后压比与泄漏系数的关系,发现各工况下的逆向射流在一定程度上都能够增强篦齿的封严效果,并且射流角度越小,密封性能越佳,射流位置在第一节齿腔中间时,抑制泄漏的效果最佳,当射流角为45°,射流位置在第一齿腔中间时,泄漏系数相对不带逆向射流时能够降低11.5%。在此基础上,进行了带逆向射流的二维直通型封严篦齿实验,在不同的压比下,用PIV分别测量了3种射流角度和3种射流位置下的篦齿通道内部流场,实验结果与数值计算变化规律一致。      

钝体前激波的数值模拟

本文通过直接求解N-S方程,研究激波问题,对是否可以和如何用直接求解N-S方程来处理超跨声速流进行了探索,在对粘性项的处理建立可压缩流体的压力校正方程和计算方法等方面均提出并实施了新的方法,最终得到了基本合理的数值计算结果。