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。      

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。     

基于正交试验法的刷式封严泄漏特性数值研究

为了研究刷式封严的泄漏特性,针对刷环外径Do,刷环内径Di,刷丝直径d,刷丝排列角度β,刷束厚度B,后挡板保护高度HF以及上下游压差Δp,环境温度T和转子转速N等9个影响刷式封严泄漏特性的主要参数,依据正交试验原理设计了32个封严结构模型,对零间隙配合时各参数对泄漏特性的影响进行了数值研究。研究结果表明:在给定的参数范围内,上述参数对刷式封严泄漏量的影响程度有明显区别,其影响程度由主到次的顺序为:Δp→Di→Do→B→d→HF→β→T→N。根据以上正交试验结果可以推断泄漏量最小的刷式封严结构,并用数值计算证明了其泄漏量最小。     

后挡板结构对刷式密封泄漏特性影响实验研究

为了研究后挡板结构对刷式密封泄漏特性的影响,模拟航空发动机静态和动态工况,对三种不同后挡板结构的刷式密封泄漏特性进行实验研究。实验结果表明：相比于标准型刷式密封,后挡板结构中设计环形平衡腔能有效缓解刷式密封刷丝滞后效应,但间隙值过大将导致刷式密封性能下降;刷式密封实验件b（有环形平衡腔,与刷丝束之间的间隙为0.2mm）的泄漏参数Φ2保持在7 g﹒K1/2﹒mm/（N﹒s）以内,表现出优异的密封性能,这说明合适的环形平衡腔间隙值设计,能有效缓解刷式密封刷丝滞后现象。根据实验结果,环形平衡腔的间隙设计值应不大于0.4mm。     

几何参数对刷式密封泄漏和刷丝尖端力的影响

建立了一种刷式密封的切片式三维模型,利用计算流体动力学(CFD)方法,计算了刷丝所受的气流力并将其简化为较少量的一系列的集中力.基于力矩平衡和线性叠加原理,提出了气流力引起的刷丝尖端力、转矩的一种定量计算方法.1台刷式密封实验台和1只实验刷环被用于相关理论计算 的实验验证.基于上述理论计算,利用正交实验研究了刷丝长度、刷丝间隙、刷丝排数、安装角、刷丝直径和保护间隙对泄漏率、气流力、刷丝尖端力和转矩的影响.结果表明,总泄漏率及转矩的计算与实验结果基本吻合,各点误差均小于20%.刷丝直径、刷丝间隙、保护间隙及刷丝排数的对总泄漏率影响非常显著,安装角对转矩的影响非常显著.      

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,...     

前板结构对低滞后刷式密封性能影响分析

针对不同前板结构的低滞后刷式密封,采用多孔介质模型,进行流场计算,对计算得到的上游刷丝压力、速度分布、刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能以及刷式密封泄漏量进行分析,讨论对于低滞后刷式密封的性能的影响.分析表明:前板结构对上游刷丝压力、轴向速度分布以及刷式密封泄漏量无明显影响,对上游刷丝径向速度分布影响较大;无前板及过长前板结构,刷封上游靠近跑道区域湍流动能较大,前板开孔可降低刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能,减弱刷丝扰动的趋势.      

基于三维实体建模的刷式密封传热机理数值研究

建立了基于三维实体建模的刷式密封传热特性求解模型,在验证数值模型准确性的基础上,分析了刷式密封流场与温度场分布特性,研究了压比、转速、干涉量和热流密度对刷丝最高温度的影响,揭示了刷式密封的传热机理。结果表明:高温区主要集中在末排刷丝与转子面接触位置,刷丝的最高温度随着压比、转速、干涉量和热流密度增加而增大,其中干涉量对刷丝最高温度的影响最为明显。当干涉量从0.1 mm增至0.7 mm时,刷丝的最高温度上升1.61倍;刷式密封热量的主要来源为刷丝与转子表面摩擦产生的热量,其传热形式包括导热和对流换热,摩擦热量通过导热形式进入刷丝和转子,当刷丝与转子之间的接触力增加时,摩擦热量增大,刷丝的最高温度升高,摩擦热量通过对流换热形式在流体和固体之间进行传递,热量散失主要形式为泄漏气流带走部分热量。      

锥形间隙孔型阻尼密封动力特性分析及抑振机理

应用非定常动网格技术建立了锥形间隙孔型阻尼密封动力特性多频椭圆涡动求解模型,研究了锥形度和涡动频率对孔型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了锥形间隙孔型阻尼密封的抑振机理。结果表明:锥形间隙增强了孔型阻尼密封的泄漏直通效应,增加了密封泄漏量。在平均间隙相等的情况下,收敛间隙孔型阻尼密封泄漏量小于发散间隙孔型阻尼密封;在同一涡动频率下,刚度系数随着锥形度的增加而增大,阻尼系数随着锥形度的增加而减小;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的正直接刚度,增加了转子系统的固有频率,发散间隙孔型阻尼密封产生较大的负直接刚度;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的有效刚度和穿越频率,较小的有效阻尼,发散间隙孔型阻尼密封具有较大的有效阻尼,较小的有效刚度和穿越频率;在锥形间隙孔型阻尼密封结构设计时,需要同时考虑转子系统固有频率和同心度的影响。      

低泄漏高寿命刷式封严的实验研究

以相似理论为依据,通过空气动力学的实验方法探索新型低泄漏高寿命3层片式刷式封严结构。以空气泄漏量作为评价指标,确定新型刷式封严结构的密封性并对其进行改进。实验结果表明:改进的3层片状刷式封严结构的密封泄漏特性优于简单的片状刷封结构;随着3层片状刷封进出口压差的增大,泄漏量也随之增大。      

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。      

多级刷式密封级间压降分配影响因素数值与实验研究

多级刷式密封级间压降分配直接影响刷式密封的封严特性和使用寿命,现有多级刷式密封结构存在各级压降不均衡导致密封提前失效的问题。本文建立多级刷式密封三维实体流固耦合求解模型,设计搭建多级刷式密封实验装置,在数值计算与实验测试结果相互验证的基础上,研究了工况参数与结构参数对多级刷式密封级间压降分配的影响规律,揭示了多级刷式密封级间压降不均衡性的产生机理。研究结果表明：在本文研究工况下,相同结构的两级刷式密封各级压降占比分别为32%~35%和65%~68%,三级刷式密封各级压降占比分别为21%~27%、27%~32%、41%~52%,多级刷式密封各级承担压降逐级增大,进出口压比对级间压降分配影响不大;增大刷丝束与转子表面间径向间隙、刷丝之间间隙以及后挡板高度均可改善各级压降分配,同时也会增加泄漏量;影响多级刷式密封级间压降均衡性的主要原因是逐级不均匀增大的体积流量,各级压降随体积流量逐级不均匀的增加而增大;增大下游级流道截面积可有效降低体积流量,平衡多级刷式密封各级压降。本文研究结果为多级刷式密封结构设计提供了理论依据。     

低前挡板型小尺寸刷式封严泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了实验研究.转子的轴心位移采用电涡流传感器进行测量，其测量结果表明:压差小于0.4MPa时，转子轴心位移随压差的增大略有减小；当压差达到0.4MPa后，其轴心位移范围不再随压差而变化；在不考虑磨损的情况下轴心位移对不同配合状态的封严泄漏特性基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上，试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小；间隙配合下有明显的滞后，过盈配合下滞后不明显；磨损对泄漏的影响在过盈配合下比较显著；间隙配合下压差在0.1～0.2MPa泄漏系数随压差的升高而增大，压差为0.3MPa时泄漏系数降低，0.3MPa以后泄漏系数变化趋于稳定；过盈配合下泄漏系数随压差的升高总体呈增大趋势，压差在0.3～0.5MPa时增大的趋势较小，泄漏系数较为稳定.