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。     

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.      

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。      

基于CFD和神经网络的2级刷式密封结构泄漏和级间不平衡性分析

为了提高航空发动机刷式密封结构仿真的时效性与适用性，通过CFD计算获得了20个2级刷式密封结构的泄漏量和级 间压比训练样本，对设计的神经网络进行训练和数据泛化预测，获得50组上下游刷丝排数和保护间隙组合下的泄漏率、级间不平衡性数据，并讨论了三者的影响及刷丝排数和保护间隙之间的耦合作用。结果表明：7次即可完成神经网络的训练。通过预测数据发现，仅下游参数变化时，随着刷丝排数的增加，保护间隙对级间压比的影响减小，随着保护间隙的减小，刷丝排数对泄漏率的影响也减小；而仅上游参数变化时，参数对级间压比的耦合性不明显。通过泛化数据进行参数优选，泄漏率可达30.688 N?m3/h，基本消除级间不平衡，且密封性能较好。所建立的神经网络适用于预测具有明显耦合性的2级刷式密封结构流动特性。     

刷式密封临界承压能力流固耦合数值研究

采用以泄漏因子与有效间隙作为刷式密封临界承压能力的评价指标,基于ALE(arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法建立刷式密封三维瞬态求解模型,分析三种不同结构的刷式密封模型在不同压差下的刷丝变形,研究临界承压能力对刷丝变形的影响。研究结果表明：随着上下游压差的增加,泄漏因子与有效间隙的值趋于稳定时的压差范围即为刷式密封的临界承压能力。所研究的基本型刷式密封临界承压能力为0.25～0.30 MPa,后挡板保护高度降低0.5 mm的刷式密封和轴向增加5排刷丝的刷式密封临界承压能力相对于基本型增加了16.7%～20.0%,降低后挡板保护高度和增加刷丝轴向排数可以提高刷式密封临界承压能力。随着上下游压差的增加,刷丝轴向最大变形量先增加,在上下游压差达到刷式密封临界承压能力时,刷丝之间间隙被压缩至接近最小,刷丝轴向最大变形量达到稳定。该研究成果为刷式密封的结构设计提供理论依据。     

刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性影响数值与实验研究

采用有限元分析与计算流体力学相结合的方法,建立了考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏流动特性求解模型,设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦磨损特性实验装置,实验研究了刷丝与转子间正压力特性,在实验验证数值计算准确性的基础上,研究了刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。研究结果表明:从刷丝束上游到下游,刷丝与转子间正压力和刷丝磨损长度均先减小后增大;刷丝磨损长度随干涉量、刷丝直径的增加而增大,随压比、刷丝长度的增加而减小。考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏量随压比、干涉量、刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度的增加而减小。提出泄漏量变化率表征刷丝磨损对刷式密封泄漏特性的影响程度,泄漏量变化率随刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度和压比的增加而减小;在压比为2.5的工况下,当刷丝直径从0.09 mm增至0.11 mm时,泄漏量变化率从9.53%增至19.18%;当刷丝长度从15.556 mm增至17.556 mm时,泄漏量变化率从13.47%降至5.38%。增加刷丝长度并减小刷丝直径可以降低刷丝磨损对刷式密封封严性能的影响。      

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

刷式密封刷丝变形与振动特性实验

刷式密封刷丝运动变形引起的泄漏损失、刷丝断裂等问题较为突出。本文分析刷式密封刷丝运动变形理论模型，设计搭建刷式密封刷丝变形与振动特性观测实验装置，设计加工了3种周向倾角的低滞后型刷式密封实验件，实验观测并研究刷式密封刷丝轴向变形特性，刷丝吹下效应、刷丝分层和刷丝振动特性，揭示刷式密封刷丝运动状态。研究结果表明，在进出口压比1.5~4工况下，刷式密封刷丝自由端轴向变形量随着压比的增大而近似线性增加，周向倾角对刷丝轴向变形影响不大。刷式密封前排刷丝吹下效应明显强于后排刷丝，随着周向倾角的增大，刷式密封刷丝吹下效应逐渐减弱，在本文研究工况下，周向倾角为50°、55°和60°的刷式密封刷丝最大吹下量分别为0.60、0.45和0.34 mm。刷式密封刷丝产生分层现象的主要原因是在气流力的作用下，刷丝束轴向产生变形，刷丝束自由端在不相等的转子表面轴向摩擦力作用下，刷丝束进一步产生不同步的变形量，导致刷丝束出现间隙进而形成刷丝分层现象。刷丝振动主要发生在刷丝密度相对松散的区域，且随着压比的增大而增强，刷丝自由端位移随时间呈振荡变化，其在轴向的振幅大于周向的振幅。     

基于能量法的刷式密封刷丝颤振流固耦合研究

为了研究刷式密封刷丝颤振特性,采用能量法及双向流固耦合与动网格技术,建立了刷式密封刷丝颤振特性瞬态流固耦合求解模型,将数值模型结果与理论模型和实验结果分别进行验证;在此基础上,从非定常气动力做功角度分析刷丝的变形规律,研究了刷式密封结构参数对刷丝颤振特性的影响。结果表明:非定常气动力做功与刷丝变形运动随时间均呈振荡变化趋势;后挡板保护高度从2.1~3.6mm,刷丝长度从4.0~5.5mm以及刷丝直径从0.13~0.19mm非定常气动力做功减少,有利于抑制颤振的发生;刷丝间隙及刷丝束与后挡板轴向间隙的变化对刷丝颤振影响不大。     

基于多孔介质局部非热平衡方法的刷式密封耦合传热特性

建立了刷式密封流动传热与摩擦接触的多物理场耦合分析的计算模型.推导了描述刷式密封在局部非热平衡条件下耦合传热过程的双能量方程,该方程既考虑了刷丝与气流的对流换热,同时也考虑了刷丝束内导热过程的各向异性.采用所建立的耦合计算模型数值预测了刷式密封在不同压比和转速下的温度分布.结果表明:刷式密封的摩擦热效应使刷丝与转子相接触的附近区域形成局部高温,刷丝的高温区域主要集中在围栏高度以下;泄漏气流与刷丝间强烈的对流换热使刷丝的温度分布和气流的温度分布非常相近;刷丝的最高温度随压比增大而升高,但围栏高度以下区域的平均温度随压比增大而降低;刷丝的最高温度和围栏高度以下区域的平均温度均随转速升高而升高;摩擦热效应引起的泄漏气流的温升效应使刷式密封泄漏量随转速升高而减小.      

刷式密封吹下效应诱发机理流固耦合数值研究

分析了刷式密封吹下效应理论模型,建立基于arbitrary Lagrange-Euler(ALE)流固耦合方法的刷式密封吹下效应三维瞬态数值模型,在验证数值模型准确性的基础上,分别研究了刷丝轴向、径向和截面变形特性,量化分析了刷丝径向吹下量,揭示了刷式密封吹下效应诱发机理.研究表明:刷式密封吹下效应会减小刷丝径向间隙,...     

轴流压气机机匣变形对多排转子流场特性的影响

在实际轴流压气机加工、装配、使用过程中,机匣的圆度控制、叶片的高度控制、转子和机匣之间的同轴度控制等都普遍存在误差,意味着叶尖间隙的不均匀性必然地存在于每台压气机中。随着对轴流压气机流动研究的不断深入,叶尖周向非均匀间隙成为了需要考虑的问题。针对由机匣变形造成的非均匀叶尖间隙,研究了其对多排转子流场特性的影响。首先介绍了表征机匣变形程度的新参数,进而引进了非轴对称压气机模型的建模方法。针对3种不同的间隙周向布局,采用定常和非定常方法进行了数值模拟,对比了均匀与非均匀间隙下多排转子的气动性能,分析了机匣变形对气动损失分布和传播的影响,并研究了非均匀间隙下非定常压力和气动力的脉动特征。结果表明：非均匀间隙会降低转子性能,转子叶排叶尖区域的流场在非均匀间隙下呈现明显的周向非对称性,在上游叶排“尾迹”的干扰下,后排转子叶尖流场的周向非对称性要大于前排转子。非均匀间隙布局与各叶片气动力分布呈现明显的对应关系,小间隙区域叶片的气动力高,大间隙区域叶片气动力相对较低,从而增加了非均匀间隙下转子叶片的气动力幅值。     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

叶顶压力侧小翼对跨声速涡轮级气动性能影响的数值研究

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能。通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼最大偏置距离和外倾角对小翼控制效果的影响。结果表明：所采用的肋条小翼结构能够有效地控制叶顶间隙泄漏流动并提高涡轮级的效率;在间隙高度为1mm时,涡轮级效率的提升达到0.51%,叶顶间隙泄漏流率下降48.6%;此外,随着小翼外倾角的增加,涡轮级效率逐渐增加并存在一个最佳的向外偏置距离为1.2mm。