蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明：蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下（封严间隙大于0.5 mm）,蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动（频率大于120 Hz）时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。     

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。     

基于三维模型的偏心鼓筒气动特性分析

为了获取篦齿封严鼓筒齿腔内的压力分布,掌握鼓筒气动特性情况,建立了带封严篦齿鼓筒的三维流场通道模型,计算转静子同心和不同偏心量条件下鼓筒表面静压,分析气动载荷作用下鼓筒的力学特性.仿真结果表明:偏心量的变化使表面静压出现复杂变化,周向静压幅值变动明显,最大偏心量下的静压幅值比无偏心时增长3倍;偏心引起的周向静压波动使鼓筒应力幅值最大浮动3%左右.      

篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

篦齿式封严装置气动弹性稳定性研究

随着航空发动机对高性能、高推重比的要求 ,发动机上零部件的工作环境愈发恶劣 ,此时篦齿封严装置的稳定性问题则显得非常突出。该装置沿周向作节径型振动 ,在某些模态时 ,密封气体的气动阻尼可能为负值 ,使整个系统稳定性下降 ,甚至出现不稳定状态。本文采用双控制体模型计算篦齿封严装置的气动刚度和气动阻尼 ,然后应用有限元软件对篦齿式封严装置的稳定性进行了分析 ,获得了比较满意的结果     

直通型篦齿泄漏的特性试验

对广泛应用于航空发动机的直通型篦齿进行试验,测量了不同结构组合,不同工况参数下直通型篦齿的流量和压力,计算得出相应的换算流量系数,分析了倾斜角度、间隙以及转速对换算流量系数的影响,并获得经验关联式.研究表明:当进、出口气流压比较小时,篦齿换算流量系数随压比增加较快,然后增加缓慢,并渐趋于一定值;相同压比下,篦齿向来流方向倾斜角度和间隙宽度减小,换算流量系数均减小,倾斜角度存在最佳值,应在45°~60°;转速的影响过程较为复杂,在本试验范围内换算流量系数随其增加而减小.      

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。     

用于转子系统的气膜密封阻尼结构稳态特性

针对航空发动机转子既转动又进动的运转情况,推导用于转子系统的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构(gas film seal damper,GFSD)雷诺方程.基于GFSD运动方程和位移协调关系,建立转子－气膜－金属橡胶三者之间的流固耦合关系,确定稳态压力场求解流程,并提出金属橡胶刚度的定量设计方法.采用有限差分法求解稳态压力场,研究GFSD工作参数和结构参数对稳态特性的影响,为GFSD结构参数设计提供参考,最后与直通式篦齿封严的泄漏量进行比较.结果表明:合理设计金属橡胶刚度能够使GFSD自适应地调节气膜间隙;在保证动压润滑的基础上,选取大长径比、小金属橡胶刚度和密封间隙能够使GFSD具有良好的稳态特性;GFSD的泄漏量远小于直通式篦齿封严,能够满足现代航空发动机中高进出口压比下的封严需要.      

篦齿封严尺寸缩放与气流温度变化对流动与传热影响试验研究

利用矩形、梯形齿篦齿封严直通齿模型,将真实尺寸篦齿封严等比例放大,对真实尺寸模型与放大模型的流动与换热特征进行了试验研究与对比分析,并研究了气流温度变化对流量系数的影响。研究发现,放大模型与真实尺寸模型的流量系数与努赛尔数均随雷诺数增大而增大,在雷诺数相同时两者的流量系数与努赛尔数基本相等,最大差值分别为5.3%和9.7%。放大模型较好地保持了真实尺寸篦齿封严狭小空间流动与换热特征。研究还发现,在加热条件下,流量系数相比冷态条件下有所减小。     

直通篦齿静止衬套上磨损槽对泄漏特性影响的数值研究

对静止耐磨衬套环面上矩形磨损槽的直通篦齿封严结构的泄漏特性进行了数值研究,分析了磨损槽的结构尺寸和篦齿相对位置(轴向和径向)的影响.与普通无槽直通篦齿结构相比,齿尖磨损槽的存在改变了节流后射流的运动方向,降低了透气效应,而且磨损槽结构尺寸和相对位置的变化直接影响到齿尖节流位置和节流面积的变化,对篦齿封严性能影响较大.