指尖密封动态性能分析与泄漏量计算

指尖密封作为一种新型密封技术,不平衡力激励条件产生的动态迟滞泄漏以及动态磨损是制约其性能提高和应用的两个重要因素。为此,对指尖密封动态工作条件下的激励形式和装配过盈进行了技术处理,构建了指尖密封系统的动力学分析模型,获得了指尖密封在转子激励下的位移响应以及动态条件下指尖靴与转子之间的接触压力分布,并根据位移响应结果得到了指尖密封的动态泄漏间隙,建立了指尖密封动态泄漏率计算方法。以某型发动机转子为实际算例进行了分析计算,结果表明：适当设计装配过盈可以降低指尖密封响应幅值,缩小与转子激励的相位差,减小迟滞,提高跟随性,改善密封效果;指尖靴与转子之间的接触压力随转子的激励做周期性变化,无论是过盈量还是密封上下游压差的增加都会增大接触压力,并且使一个运动周期内指尖靴与转子的接触时间变长;转子位移激励的幅值受到支承轴承游隙的约束,当转子达到“特定”转速以后受到轴承游隙的限制而等于游隙。通过与参考文献中试验结果的对比分析验证了计算结果的合理性。     

基于系统响应特征的指尖密封泄漏特性分析

结合指尖密封动态工作特点,通过研究转速和转子不平衡力与转子跳动之间的关联规律,得到转子的位移激励,构建了指尖密封系统的动态计算模型,依据指尖密封的系统响应特征研究其泄漏间隙的获取办法,进而基于泄漏间隙特征建立了指尖密封动态泄漏量计算方法.针对某型发动机转子进行了动态泄漏量分析,结果表明:在转子每个转动周期内,指尖密封的动态响应跟随转子激励周期性变化,由此产生的动态迟滞泄漏间隙也随时间而周期性变化,迟滞泄漏的大小随着密封上下游压差的增加而增大,随着转子转速的升高先增加后减小;设置一定的装配过盈量能够一定程度地减小迟滞泄漏;指尖密封磨损后迟滞泄漏规律表现出先减小后增加再降低的变化趋势;与国内外试验结果的对比分析初步验证了提出的计算方法,为指尖密封动态性能设计方法研究提供了参考.      

指尖密封轴向布局的变尺度结构研究

采用有限元技术研究了在不同压差条件下,指尖密封轴向布局中密封件轴向尺度配置对指尖密封装置的迟滞特性、密封靴与转子接触封严区接触压力的影响。研究结果表明:不同工况条件和轴向布局结构对迟滞率和接触压力的影响较为复杂,而夹心状指尖密封轴向布局结构能够具有相对较优良的迟滞特性和接触特性的匹配关系。研究工作同时表明有必要进行指尖密封轴向布局结构及尺寸的优化研究。      

指尖密封的温度场及热结构耦合分析

以单梁-双层密封片为单元建立了指尖密封热分析模型,依据指尖密封的实际工况确定了指尖密封热分析边界条件,通过有限元分析获得了不同工况条件下指尖密封的温度场分布,结果表明指尖密封的最高温度分布区域与高压腔气体温度高低有关,随着高压腔气体温度升高,最高温度分布区域自指尖靴部向高压密封片中部转移.在指尖密封热分析基础上进行了指尖密封热结构耦合分析,获得了考虑热效应的指尖密封的迟滞特性和接触性能.与不考虑温度影响的指尖密封性能分析结果相比,考虑热效应下的指尖密封的迟滞量减小,指尖与转子间的接触压力明显增大.      

考虑磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性分析

接触式指尖密封在工作过程中不可避免地会发生磨损,而磨损又会改变其泄漏特性进而影响旋转机械的效率。为了揭示磨损对指尖密封泄漏特性的影响规律,本文在指尖密封多孔介质流动分析模型的基础之上,建立了考虑转子离心膨胀和磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性数值分析模型,数值研究了转速和安装过盈量对指尖密封磨损及其对应的泄漏特性的影响规律。结果表明：考虑磨损效应时,指尖密封泄漏量随磨损时间的增加呈现出先减小后增大的趋势;转子转速越低,泄漏量降低至最小值所需的磨损时间越长,但最小泄漏量及其所对应的瞬态配合过盈量始终一致;安装过盈量越小,泄漏量降低至最小值所需的磨损时间越短,但最小泄漏量所对应的瞬态配合过盈量始终一致;此外,在任意磨损时刻,密封上下游压差越大泄漏量也越大。     

圆弧型指尖密封迟滞特性的数学计算方法

为了预测指尖密封迟滞特性，提出了用能够直观反映指尖密封迟滞特性的最小迟滞量来表征指尖密封的迟滞，建立了指尖密封最小迟滞量计算的数学模型，确定了模型中的修正系数，并进行了试验验证，采用修正后的计算模型研究并获得了结构和工况参数对指尖密封迟滞的影响规律。研究结果表明:采用修正后的模型进行考虑迟滞效应的泄漏特性数值计算与试验结果误差最大为7.64%，最小迟滞量的计算模型合理可靠；指尖密封结构参数对其最小迟滞量影响程度从小到大依次为:指梁型线圆、指梁间隙、指梁根圆、指梁顶圆、指梁基圆、周向角、指尖片厚度。研究结果为进一步开展迟滞对指尖密封泄漏特性影响和指尖密封结构优化设计的研究提供了依据和理论基础。      

基于多孔介质的指尖密封各向异性传热模型

在指尖密封多孔介质流动模型的基础上，将指尖密封片之间的接触传热附加于固体导热之中，之后通过对密封固体结构与结构内流体的耦合各向异性传热进行理论分析，建立了指尖密封各向异性传热数学模型；基于商业软件Fluent中的用户自定义标量（UDS）方程功能，开发了多孔介质各向异性传热数值计算模块，并数值模拟了指尖密封结构内的流动与传热特性。结果表明:指梁与指尖靴区域的各向异性有效导热系数张量与孔隙率、径向和周向位置以及轴向接触热阻等因素相关；指尖密封最高温度出现在指尖靴与转子接触面的略下游处；与各向同性传热模型相比，采用各向异性传热模型时,指梁下部和指尖靴区域沿径向和轴向存在较大温度梯度，但温度沿周向的变化两者均很小；泄漏量随着压差的增加逐渐增大，随着转子转速的增加基本不变；指尖密封最高温度值随着压差的增加逐渐减小，随着转子转速的增加逐渐增大。      

基于有限元仿真的指尖密封准动态性能分析方法

指尖密封性能的量化表达和计算效率一直是设计人员关心的问题。针对指尖密封的工作特点,对其泄漏机理和磨损特性进行了分析。基于有限元分析构建了指尖密封性能量化表达的准动态性能模型,解决了理论设计中磨损和泄漏特性难以计算和计算工作量较大的问题。采用该方法的研究结果表明环境温度升高到300℃时,泄漏率较之27oC条件下降低了65%,磨损率升高了约4%;指尖片厚度从0.1mm增加到0.5mm时,泄漏率降低了70%,磨损率升高了28%;同时指尖曲梁个数、转子转速和压差对指尖密封性能同样具有重要影响。分析初步表明,提出的计算方法能够较好地反映指尖密封实际动态特性,为指尖密封性能设计提供了快捷高效计算方法。     

结构及工况对人字型指尖气浮密封的性能影响

在对人字型指尖气浮密封工作条件下激励形式分析及处理的基础上,建立了人字型指尖气浮密封系统的分析模型,并得到了人字型指尖气浮密封系统的动态泄漏率和动态气膜承载力的计算方法.以实际算例分析了人字型槽不同结构参数和工况参数对密封性能的影响规律.结果表明:人字型槽的各结构参数对密封的性能都有影响,其中,螺旋角的变化对密封性能的...     

基于多孔介质模型的指尖密封泄漏流动分析

将指尖密封处理为多孔介质,把压力梯度作为多孔介质动量方程中的源项,根据试验结果确定了源项中的系数,结合指尖密封的结构参数提出了用于指尖密封泄漏的多孔介质模型,利用该模型计算结果与试验结果吻合较好,证明利用该模型模拟指尖密封泄漏是可行的.流场计算结果表明:指尖密封与转子接触部分的孔隙率对泄漏影响比较大,指尖密封的承压部分主要为后挡板内径以下区域.      

Dynamic performance of a C/C composite finger seal in a tilting mode

The complex operating state of aeroengines has an impact on the performance of finger seals.However,little work has been focused on the issue and the dynamic performance of finger seals is also rarely studied.Therefore,a distributed mass equivalent model considering working conditions is proposed in this paper for solving the existing problems.The effects of the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle of a C/C composite on the dynamic performance of a finger seal are investigated in rotor tilt based on the proposed model.The difference between the C/C composite finger seal performances under the rotor precession and nutation tilt cases is also investigated.The results show that the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle have an influence on the dynamic performance of the finger seal as rotor tilt is considered,and the dynamic performance of the finger seal is different in the two kinds of tilting modes.In addition,a novel method for design of finger seals is presented based on the contact pressure between finger boots and the rotor.Finger seals with good leakage rates and low wear can be acquired in this method.     

旋流和风阻温升下压气机级间篦齿封严空气网络计算模型

以压气机级间篦齿封严结构为研究对象,将封严系统简化为典型元件组成的空气网络,建立相应的元件流动特性计算模型。篦齿封严泄漏特性计算模型中没有考虑旋流和风阻温升影响的问题。特别采用一维流基本方程组进行描述旋转盘腔内的旋流,转子壁面摩阻应用经验关系式计算,方程组采用龙格-库塔法求解。旋转盘腔一维工程计算获得其旋流速度和风阻温升分布。根据旋流速度的大小,采用面积修正法对篦齿封严的泄漏特性计算方法进行了修正,并通过考虑流体物性随沿程温度变化来考虑风阻温升的影响。考虑旋流与温升的泄漏流量计算结果与数值计算结果最大相差1.4%,而不考虑旋流及风阻温升时最小偏差为9.9%,最大偏差为20.1%。一维工程计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合良好,相对偏差不超过7%。计算中采用实测的篦齿间隙,该间隙通过在旋转篦齿实验中测量转子的转动变形与受热膨胀,以及机匣的热变形而获得。      

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.      

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...     

带浮升力垫片的指式封严泄漏特性数值分析

对带浮升力垫片的指式封严的泄漏特性和浮升力进行了数值模拟,计算中将封严片组处理为多孔介质,将浮升力垫片与转子跑道之间的间隙固定于某一数值,暂没考虑流动和固体变形的耦合过程。结果表明：封严间隙是影响泄漏的首要因素;增加高压封严片层数对泄漏量有一定影响;单纯的转子线速度变化对泄漏量几乎无影响;封严间隙一定时,压差越大,浮升力垫片所受浮升力越大;压差一定时,封严间隙越小,浮升力垫片所受浮升力越大;浮升力垫片所受浮升力随转子线速度的增大而减小。     

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...     

阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究

密封动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大,在密封入口端部设置阻旋栅是提高密封稳定性的有效方法。设计加工了无/有阻旋栅共5种密封结构,从数值分析与实验研究两个方面研究阻旋栅对密封静力与动力特性的影响规律。建立阻旋栅密封静力特性CFD理论模型,数值分析阻旋栅对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;应用不平衡同频激励法实验研究阻旋栅对密封动力特性的影响。研究结果表明:阻旋栅可降低密封的泄漏量,减小密封内流体的切向速度,进而降低密封内流体的周向压力差,且随着阻旋栅周向稠度与径向长度的增加,这种作用逐渐增大,这是阻旋栅抑制气流激振力的主要原因;预旋是密封产生交叉刚度的重要因素,密封的交叉刚度随进出口压比与转速的增加而增大;阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度,增加密封的主阻尼,提高密封的稳定性。本文研究揭示了阻旋栅抑制密封气流激振力的机理,为设计阻旋栅密封提供理论依据。