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、进出口压比、偏心率的增加,新型收敛袋型密封产生的浮动同心力增大;相同工况下,新型收敛袋型密封的浮动同心力大于传统迷宫密封的;随着转子涡动频率的增加,传统迷宫密封的有效刚度系数减小,新型收敛袋型密封的有效刚度系数增大,同一涡动频率下,新型收敛袋型密封的有效刚度系数大于传统迷宫密封的。新型浮动式收敛袋型密封具有良好的自适应同心性能。     

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...     

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。     

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。     

高转速袋型阻尼密封泄漏的特性

采用有限元分析和计算流体动力学耦合数值分析方法(FEA/CFD),研究了考虑转子系统由于高速旋转造成转子径向伸长效应时袋型阻尼密封的泄漏特性和流场形态.计算了密封间隙为0.13mm时,袋型阻尼密封试验件在3种压比、3种转速下的泄漏量,并与试验值和不考虑转子伸长效应的CFD数值模拟结果进行了比较,验证了所采用的FEA/CFD数值方法的可靠性(误差小于1.3%)和高转速下考虑转子伸长的必要性.研究了6种压比、6种转速下密封间隙为0.25mm的袋型阻尼密封的流场和泄漏量,分析了压比和转速对袋型阻尼密封泄漏特性的影响规律.结果表明:当压比大于0.26时,随压比的减小,袋型阻尼密封泄漏量逐渐增大;当压比减小到一定值时(π<0.26),泄漏流体的马赫数在最后一个密封齿间隙处达到1.0,即发生了堵塞,此时泄漏量达到与密封进口总压相对应的最大值;在高转速下,考虑和不考虑转子半径的伸长,密封泄漏量均随转速的增大而减小;在转子面周向马赫数大于0.35时,需要考虑转子半径伸长对泄漏量的影响.      

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.      

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。     

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。      

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。     

螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性影响机理研究

螺旋槽对柱面气膜密封静力和动力特性有较大影响。应用非定常动网格技术建立了柱面气膜密封多频椭圆涡动静力与动力特性求解模型,分析了不同工况及结构参数下螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性的影响,研究了螺旋槽对封严气体泵吸效应与流体动压效应影响,揭示了螺旋槽对柱面气膜密封静力和动力特性的影响机理。研究结果表明：随着进出口压比与偏心率的增大,气膜内流体动压效应增强,封严气体压力分布不均匀,使得密封泄漏量增加。随着螺旋角的增大,气体经过螺旋槽泵吸效应与挤压作用聚集在螺旋槽根部,形成了较为明显的动压效应,使得泄漏量增加。当螺旋角为30°～50°时,密封的径向气流力指向转子涡动中心,切向气流力与转子涡动速度方向相反,有效地抑制了转子涡动,转子系统稳定性较好。     

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.     

篦齿封严泄漏特性的实验

为了研究工程实际尺寸下篦齿封严泄漏特性,设计并搭建了篦齿封严实验台.在进出口压比为1.1~2.0的条件下,探究了节流间隙、齿数、齿腔深度和宽度等对篦齿封严泄漏量和密封腔内压力分布的影响.结果表明:泄漏系数随着压比和节流间隙的提高而增加,但压比达到1.6后,增加趋势逐渐变缓;增加齿数能显著提高篦齿的封严性能,但随着齿数变多,效果逐渐减弱;较浅和较宽的齿腔对于提高篦齿的封严性能更有利;进出口压比、节流间隙和齿腔深度对于篦齿腔内压力系数的分布几乎没有影响;篦齿腔内沿程压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小;在篦齿封严中,越接近入口的齿腔对密封性能提高的贡献越大,对封严性能的优劣起着决定性作用.      

刷式篦齿组合密封性能试验研究

与传统篦齿密封相比,刷式密封作为一种新型密封装置,密封性能改善明显。但在高压差条件下,刷式密封的封严性能提升效果不明显。为满足航空发动机高压差高性能需求,本文设计一种刷式篦齿组合密封来提升刷式密封的综合封严性能。刷式密封和刷式篦齿组合密封泄漏特性的仿真分析及对比试验结果表明,同工况条件下,刷式篦齿组合密封相比刷式密封,其泄漏量可减小（34.7%～68.5%）,封严性能更优异。因而,刷式篦齿组合密封为航空发动机高压差密封提供新的低成本途径,且结构紧凑、泄漏量低。     

浮环密封泄漏特性数值计算与试验

为了研究不同压差、温度和转速下浮环密封的泄漏特性,建立了CFD数值计算模型,计算分析了某型航空发动机浮环密封泄漏特性。针对转速引起的泄漏量变化,提出了通过有限元方法计算不同转速下密封跑道的离心膨胀量对流场尺寸进行更改;针对温度、压差引起的流体状态参数改变,通过状态方程进行计算,并对本构方程中相关参数进行重新确定。为有效验证数值计算模型的有效性,进行了全工况条件下浮环密封泄漏特性试验。结果表明:随着压差升高,数值计算得到的泄漏量不断趋近试验结果,在压差大于等于0.1 MPa后,数值计算得到的泄漏量与试验结果的平均偏差在6.08%~9.43%。     

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。