石墨圆周密封热 结构耦合分析

综合考虑作用于石墨圆周密封环机械载荷和温度载荷,利用软件ANSYS完成石墨圆周密封结构分析、稳态热分析和热 结构耦合分析。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布均匀,最大等效应力出现在接头搭接处,这是由于接头搭接处结构特点,使密封环在此处所受气体不平衡力较大引起的。辅助密封面受载荷力矩作用引起应力分布不均,导致不平行密封缝隙出现,影响密封性能。密封环温度场分布均匀,主密封面的温度高于辅助密封面,接头搭接处接触面积大,温度显著升高。热效应对石墨圆周密封性能影响不容忽视,考虑热效应作用时,密封环应力值产生了一个数量级的升高,并使最大应力区域自主密封面接头边缘处向中心附近移动。      

航空发动机组合式弹性片金属密封环结构密封特性研究

为研究航空发动机组合式弹性片金属密封环结构的密封特性,设计和搭建了弹性片结构密封特性实验平台,研究腔室气体压力、弹性片压缩量对弹性片密封结构气体泄漏率和泄漏面积的影响规律。定量描述了气体泄漏量与弹性片压缩量及腔室气体压力的关系,分析了其密封机理。研究结果表明:气体泄漏率随腔室压力增大而线性增大;腔室气体压力使弹性片结构有一定的密封效果,压力越大密封效果越好,同时压力越大弹性片压缩量的增大对密封性的改善效果不显著;在压缩量较小或者腔室压力很低的条件下,接触泄漏和通道泄漏共存;当压缩量增大到0.80mm和腔室压力增大到0.40MPa时,继续增大压缩量或腔室压力对减小泄漏面积作用不大,泄漏面积会稳定在169mm~2,即为通道泄漏面积。     

考虑泄漏间隙有压流体作用的指尖密封瞬态性能分析

针对已有指尖密封性能分析工作中未考虑泄漏间隙有压流体作用使得指尖密封的理论分析与工程实际有较明显差距的问题,建立了考虑泄漏间隙中有压流体作用的指尖密封性能分析模型,对是否考虑泄漏间隙中有压流体作用的指尖密封性能差异进行了比较分析.研究结果表明:指尖密封性能分析工作需要考虑泄漏间隙有压流体的作用.考虑泄漏间隙有压流体作用指尖密封的泄漏率较不考虑有压流体作用的泄漏率最大增加了234.7%,且有压流体作用使指尖密封泄漏率随转速增加的趋势更加显著.      

非线性数值模拟柱面气膜密封动态特性

针对气膜密封研究中密封气膜动态特性分析难点问题,采用非线性数值模拟法对柱面气膜密封系统的动态特性进行研究[D].建立了柱面气膜密封系统的动力学模型,给出了基于有限元数值方法的瞬态气体雷诺方程（含时间项）与系统动力学方程的耦合求解流程和方法,数值仿真给出了柱面密封环的中心轨迹图、确定了一定转速下的临界无量纲质量、不同密封环无量纲质量时等量位移扰动下系统的响应图,分析了密封环无量纲质量对系统稳定性的影响.结果表明:光滑柱面气膜密封系统存在临界无量纲质量,临界时系统受扰后处于半频涡动状态,随着密封环无量纲质量的增加,受扰后系统收敛时间变长,稳定性变差.      

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.      

螺旋槽端面气膜密封结构高温特性研究

为了研究螺旋槽端面气膜密封结构在高温下的密封性能,建立了高温密封分析数学模型,研究了螺旋槽气膜密封的气膜温度、压力以及端面变形分布规律,在此基础上探讨了螺旋槽气膜密封的热变形机理,并进一步分析了不同密封压力、转速、环境温度下热效应对开启力和泄漏率的影响。结果表明:在高压、高速条件下,热效应使端面形成发散间隙,导致开启力减小,泄漏率增加;在低压、高速条件下,热效应使端面形成收敛间隙,导致开启力及泄漏率增大。对于螺旋槽端面气膜密封结构,环境温度的升高对端面变形的影响不明显,且环境温度从300 K升至550 K时,考虑端面热效应的开启力减小4%,泄漏率减少36%。     

指式密封泄漏特性的实验研究

设计了三组不同间隙的实验件,研究了基本结构指式密封从初始使用到稳定后的泄漏特性.结果表明:指式密封在初始使用时泄漏量较大,而且迟滞较为明显;随着使用时间的增长,密封性能趋于稳定,稳定后"指"之间的间隙对泄漏系数影响比较大;随着压差的增大,泄漏系数先是增加,后趋于定值;在实验转速范围内(<3 000 r/min),转子转速对指式密封泄漏系数影响不大;密封泄漏系数随密封层数的增加而减少.      

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.      

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。     

基于等效间隙的机匣安装边泄漏量定量计算方法

结合平行平板流动理论，结合流量因子法和粗糙面接触压力与接触间隙的关系，提出了一种基于等效间隙、能够考虑微观粗糙形貌及受不均匀分布载荷的机匣安装边泄漏量定量计算方法；采用有限元计算方法，研究了内部气体压力和轴向力对机匣安装边气体泄漏量的影响规律；研究表明，随着内部气体压力的增加，泄漏量增大，随着轴向力的增加，泄漏量略微减小；最后将计算结果与泄漏量实验结果进行对比，在内部气体压力和轴向力作用下的泄漏量最大误差分别为3.5%和3.6%，证明了本文计算方法的有效性。     

单环圆周密封装置设计和应用研究

重点介绍了用于密封航空发动机主轴承腔的先进单环圆周密封装置的结构和性能设计特点,对几种关键设计方法进行了综合论述：首次提出了关于结构尺寸、加工精度、弹性元件弹性力与密封静态和动态性能相关的关联方程,可进行动、静态泄漏计算。     

柔片式密封泄漏流动的数值仿真分析

针对柔片式密封的流场和密封性能及其影响因素进行研究,建立了密封区域流体动力学计算模型,对密封间隙内流场的速度、压力分布和泄漏量进行了计算,分析了工况和结构参数对泄漏量的影响趋势.分析表明:密封泄漏量随密封压差的增大呈线性增长趋势,而随转子转速的增加变化不大;柔片宽度由3mm增加至7mm,系统泄漏量降低了40%左右,而柔片长度由12mm增加至16mm,泄漏量仅增加8%左右;前/背板与柔片或转子间间距的增大将使泄漏量上升,且前板与转子间设计间距对泄漏量相对影响较大,随其增加,泄漏量最高可增加16%;柔片末端楔形区域对泄漏量及对转子作用力均产生影响.      

形状记忆合金梁式管接头密封性能数值研究

针对一种阴接头密封梁具有椭圆弧凹槽的形状记忆合金梁式管接头,利用ABAQUS软件建立考虑管内流体压力和温度的弹塑性有限元热力耦合模型,数值模拟得到阴、阳接头间的接触带宽和接触应力分布。基于逾渗理论与微观粗糙密封界面有限元接触分析,计算得到形状记忆合金材料密封界面泄漏概率为零的临界接触应力。结合第一道密封的接触应力分布,以S指数作为形状记忆合金梁式管接头密封性能的评价指标,数值模拟了预紧力、管内流体压力和温度对形状记忆合金梁式管接头密封性能影响。结果表明：在装配拧紧力矩范围内形状记忆合金梁式管接头密封性能随着预紧力增大而增强;密封性能随着管内流体压力的升高会提高,具有良好的自封性;在-50～200℃的管内流体温度范围内密封性能基本稳定,满足密封要求。数值分析表明在相同工作条件下形状记忆合金梁式管接头相比于不锈钢和钛合金梁式管接头具有更优的密封性能。     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

金属封严环泄漏率预测方法

针对金属封严环设计中泄漏率估算问题，综合对密封系统宏观结构和微观表面接触变形的考量，提出一种基于数值计算的泄漏率预测方法。对密封整体结构进行计算，以计算值（接触应力、接触面积）为输入参数，以表面粗糙度为评价指标建立微观粗糙表面，使用有限元法（FEM）进行接触计算后建立泄漏通道模型，在对泄漏缝隙内流体流动特性确定后通过计算流体力学（CFD）方法计算得到泄漏率。使用密封试验台进行泄漏率试验，将计算值与试验结果相比较。研究表明:随着接触应力增加、表面粗糙度值降低以及内外腔压差增长，密封系统泄漏率逐渐减小；所提出的方法极大地摆脱了泄漏率获取对于试验仪器的依赖性，并能够较为有效地预测金属密封结构的泄漏率，对先进的金属封严环的设计和评估具有重要意义。      

周向收敛型动压式指尖密封的结构优化及其动态性能仿真

周向收敛型动压式指尖密封是一种可用于航空发动机的非接触式柔性气封.根据周向收敛型动压式指尖密封的工作性能要求,提出密封性能优化数学模型.采用人工神经网络和遗传算法相结合的优化方法,通过建立反向传播(BP)神经网络确定设计变量与目标函数之间的隐含关系,再利用遗传算法对周向收敛型动压式指尖密封进行结构参数优化,获得了性能较...     

W型封严环表面粗糙度对间隙泄漏流动的影响

金属封严环密封结构的泄漏是影响发动机金属封严环间隙泄漏通道内气体流动的因素之一。本文采用有限元分析软件建立不同表面粗糙度下的泄漏通道模型;采用CFD 技术对不同结构的间隙内流体流动进行数值模拟,研究表面粗糙度对泄漏流动的影响;计算封严环的泄漏率,通过密封试验验证计算结果的正确性。结果表明：气体在泄漏通道内受到表面粗糙度的影响,靠近粗糙壁面处产生明显的回流现象,降低了通道内流体的泄漏流速;在接触应力不变的条件下,密封间隙的泄漏量随表面粗糙度的增大而增大,提高封严环的加工精度能够降低表面粗糙度从而增强其密封性能。     

Numerical exploration on the thermal invasion characteristics of two typical gap-cavity structures subjected to hypersonic airflow

In this paper, numerical investigation of hypersonic gas flow over two typical gap-cavity structures is carried out using all-speed preconditioned density-based solver. Such structures filled with porous seal in the gap are often present at the joint locations of control surfaces of the hypersonic vehicles. Single-domain approach is adopted to integrate the governing equations for both porous and fluid regions. The basic thermal invasion characteristic is first illustrated using the maze gap-cavity structure without sealing. Then, the influence of seal filling depth on the thermal invasion characteristic is investigated for the structure with sealing. Finally, a comparison of thermal invasion characteristics between maze and straight gap-cavity structures is performed to examine the influence of gap bending. Results show that the main source of hot airflow invading into the gap is from the millimeter scale gas layer within the boundary layer. And the invasion characteristic presents approximate stationary behavior. A primary vortex occurs in the gap adjacent to the leeward wall, which is ascribed to the impinging effect between the separate boundary flow and the windward wall. This effect is also the main driving force of thermal invasion. A treatment of filling the seal in certain depth inside the gap can significantly reduce the thermal load of seal and maintain an acceptable level of the invading mass flow rate. Additionally, it is found that the gap bending exerts a limited block effect on the thermal invasion without sealing, and this effect can be ignored with sealing. These results can provide a reference for optimizing the seal gap-cavity structure configuration.