高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验

在分析高速涡轮泵轴端非接触动静结合型机械密封所处的高速、低温、高压力、低黏度介质润滑等极端工况基础上,发展了考虑密封副固体、被密封流体、弹性补偿支撑单元等在内的热、流、固、力耦合的密封综合性能求解模型。基于此模型,完成了对处在低温、低黏度润滑介质下的机械密封运转性能的分析及关键结构参数的优化,优化的目标为密封承受载荷力W和泄漏量Q为最大及液膜产生的功耗（或温升）较小。以优化后的密封样件开展了低温液氮模拟介质运转试验,考察优化后密封在低温条件下的快速启动特性和摩擦特性。结果表明:低温高速工况下的密封外人字槽和内螺旋槽组合结构的槽数为30、槽深为3μm为一类优化结果,低温运转试验表明正常工作时端面摩擦因数为0.14。      

基于优选参数的回流泵送密封开启温度特性

针对航空发动机减速器轴承腔上的新型高速气液混相回流泵送密封（GL-RPS）机构,揭示了其开启过程的温度特性。 通过建立数值分析模型,分析动压槽槽数、槽深、槽坝比对密封开启力的影响,得到密封开启性能的优选结构参数,基于优选参数 进行GL-RPS的开启过程温度特性试验。基于温度特性,从开启状态、开启转速、开启温度和摩擦磨损等角度对比分析了4种密封 结构的开启特性。结果表明：在开启过程中,端面温度的变化分为3个明显阶段,分别对应密封端面的3个接触状态,可以有效监 测和表征密封开启过程;在密封未开启阶段,端面温度随转速增大而升高;在过渡阶段,端面温度随转速增大逐渐降低,端面温度 存在跳跃;在完全开启阶段,端面温度随转速增大基本不变;密封开启转速、过渡阶段转速跨度、开始开启和完全开启时的端面温 度差都随压力增大线性增大。得出了GL-RPS开启性能较好的结构参数,能有效降低GL-RPS的开启转速和开启温度,减小密封 端面磨损。研究结果可为航空发动机减速器轴承腔GL-RPS的设计提供参考,并提供了一种密封端面接触状态监测方法。     

基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真

 端面密封动态性能模型的多维求解复杂性限制了对密封的实时动态监测,为此建立了基于本征正交分解(POD)方法的密封性能求解降阶模型,以获取实时的密封性能特征参数,包括非接触密封微小间隙产生的液膜轴向力及沿着不同方向的液膜力矩.基于降解模型提出了非接触端面密封动态监测的原理,并分析了不同液膜振动频率下的降阶模型的计算误差,完成了对一组不同密封间隙及液膜振动频率下的水润滑端面液膜轴向力及力矩的数值仿真.研究结果表明提出的基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测能达到较高的分析精度,这对于非接触端面密封的动态控制及研究瞬态启动过程中的密封动静特性具有重要的作用.     

可控式液体润滑高速螺旋槽端面密封试验

研制了电磁加载装置和摩擦力矩测试装置,并将其应用于液体润滑的螺旋槽端面密封试验中.试验研究了端面密封坝处液膜特性、端面温升、端面摩擦力等密封性能参数以及端面闭合力对密封性能的影响.试验结果表明,密封坝处压力随转速的增加而增加,当转速较大时,端面的温升也较高.端面密封在液膜润滑下具有较小的摩擦力.利用电磁加载装置和摩擦力...     

非接触动静结合型机械密封的主动可控性及其脱开机理

针对非接触动静结合型机械密封运行中的脱开现象和泄漏量控制要求,研究基于改变闭合力的机械密封主动可控方法.在原有基础上完善了动静结合型机械密封主动可控的原理,包括控制策略、控制元件及控制流程;结合高速涡轮泵轴端机械密封,给出了主动控制的设计过程,并理论和试验研究了其可控性和受可控元件影响的性能规律.完善了现有的机械密封脱开理论,并结合试验结果对可控型机械密封的脱开转速进行了机理分析.研究结果表明:提出的基于闭合力调控的密封可控性策略及控制敏感性参数范围[1,3.19],可满足对涡轮泵轴端机械密封泄漏量的动态主动控制;完善的脱开转速理论能合理地解释机械密封起飞阶段的端面非接触状态向接触状态转变过程.研究结果对于特殊工况下特种机械密封的设计、运行监测及动态控制具有参考价值.     

低含气率影响下圆柱动静压轴承特性分析

为研究低含气率条件下,温度和气泡含量对润滑油黏度的影响,采用涡轮油和氮气制备油气两相流,在不同温度下采集含气率和动力黏度,拟合得到两相流的黏度计算模型。针对带有深浅腔的圆柱动静压轴承,基于拟合的黏度模型,结合有限元法和有限差分法联立求解油膜Reynolds方程、能量方程及两相流等效密度模型,分析了不同偏心率下承载力、摩擦力、端泄流量、刚度、阻尼系数和失稳转速随含气率变化的规律。结果表明:含气率在2.50%以内,含气率越高,黏度值越大;不同偏心率下油膜承载力、摩擦力和动力特性参数均随含气率的增加而增加,端泄流量随含气率的增加而减小;计入两相流的影响使稳定性有所提高,失稳转速最高增幅为9.14%。     

油气混相回流泵送密封结构启动过程摩擦磨损性能试验

针对航空发动机轴承腔油气混相回流泵送密封（OG-RPS）结构启动过程中转速低于开启转速时密封端面易发生摩擦磨 损问题，采用Plint摩擦磨损试验机进行了摩擦学性能试验。选择浸锑石墨和浸树脂石墨2种典型软环，18Cr 2 Ni 4 WA钢、表面喷涂 Al 2 O 3 陶瓷和表面喷涂Cr 2 O 3 陶瓷3种典型硬环，改变转速和载荷模拟密封启动过程的速度和端面比压变化，监测密封端面摩擦系 数和温度，并与机械密封结构试验数据进行对比。结果表明：螺旋槽能有效提升摩擦副润滑特性，减少表面磨损，大幅降低摩擦系 数和温升，最高可分别降低73.02%和63.41%；表面喷涂陶瓷能有效提高密封面抗磨损性能，其摩擦面更平滑；对摩擦副组对浸树 脂石墨和表面喷涂陶瓷更容易获得超低摩擦系数（C OF <0.01）。研究结果可为航空发动机轴承腔OG-RPS密封环设计选材和性能 优化提供数据支撑。     

航空直齿轮喷油润滑油气两相流分析

针对航空直齿轮喷油润滑的啮齿瞬时流体状态进行研究,首先对航空直齿轮在喷油润滑工况下一个轮齿的啮合过程与润滑状态作了分析,然后建立了适合齿轮喷油润滑油气两相流分析的瞬态数学计算模型,最后通过计算流体动力学软件对其进行了建模与仿真计算.计算得到了齿轮啮合过程中啮合迹上每一个啮合点的油气率与入口压力数值及其在啮合过程中的变化规律.计算结果为进行齿轮弹性流体动力润滑和混合润滑的计算与分析提供了准确的流体状态参数以及压力入口边界条件.      

集成弹流润滑理论及CFD方法的轴承热特性

为能准确预测传动系统内部角接触球轴承在喷油润滑方式下的热特性,通过建立轴承热弹流润滑(EHL)模型,获得球体与滚道微观接触界面间的载荷及摩擦因数,并采用局部生热法计算生热量;应用计算流体动力学(CFD)方法建立轴承油气两相热流耦合模型,研究湍流模型及流体域边界条件的设置,分析喷油速度、喷嘴位置及含气率对轴承内部传热性能的影响。结果表明:结合热弹流润滑理论及CFD方法可预测轴承在不同工况条件、润滑参数、几何参数下的最佳喷油速度、喷嘴位置及含气率;喷油速度为5 m/s时,轴承内部最高温度较其他喷油速度降低了440%;喷嘴位置在轴承下方时,轴承内部最高温度较其他位置降低了430%;含气率为15%时,轴承内部最高温度较其他含气率降低了157%。     

螺旋槽端面气膜密封结构高温特性研究

为了研究螺旋槽端面气膜密封结构在高温下的密封性能,建立了高温密封分析数学模型,研究了螺旋槽气膜密封的气膜温度、压力以及端面变形分布规律,在此基础上探讨了螺旋槽气膜密封的热变形机理,并进一步分析了不同密封压力、转速、环境温度下热效应对开启力和泄漏率的影响。结果表明:在高压、高速条件下,热效应使端面形成发散间隙,导致开启力减小,泄漏率增加;在低压、高速条件下,热效应使端面形成收敛间隙,导致开启力及泄漏率增大。对于螺旋槽端面气膜密封结构,环境温度的升高对端面变形的影响不明显,且环境温度从300 K升至550 K时,考虑端面热效应的开启力减小4%,泄漏率减少36%。     

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。      

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%。     

高速滚动轴承喷油润滑油液穿透机理分析

基于空气动力学研究高速滚动轴承环间气流特性,通过建立气相流数学模型和气液两相流数学模型研究润滑油在轴承环间的穿透过程,探究高DN值时润滑油的穿透机理.利用流体体积（VOF）模型对此状态下的空气和润滑油界面进行动态捕捉,以研究润滑油的运动过程、分布特点以及不同参数对环间油液体积分数的影响,得到了高速滚动轴承环间气相流的特性;润滑油在不同转速下进入轴承环间的运动过程;轴承环间气液两相流场的压力、速度特性;轴承环间初始气流场对润滑油进入的影响.结果表明:在轴承小端面靠近内圈附近喷油可以避免湍流对润滑油的影响和干扰,有利于润滑油进入环间;轴承环间存在有利于润滑油贴滚道运动的气流径向作用力,随着转速的增加,该力呈近似线性增加;气流的初始状态影响着轴承环间润滑油的运动状态,润滑油对气流的运动影响较小;较低转速时,轴承环间周向压力变化很小可忽略,较高转速时,其呈现周期性波动,对润滑油进入的影响不可忽视;在较低转速时通过提高喷油体积流量可以有效提高轴承环间油液体积分数,但是高转速时,通过提高喷油体积流量来提高轴承环间的油液体积分数的效果并不明显.      

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。      

动载对管内沸腾两相流传热特性的影响

对旋转状态下的单相水及加热单相水至沸腾的两相流进行了对比实验.通过对热耗散、流型、流阻及传热的分析与计算,研究了动载对流体流动与传热的影响.结果表明:过载强烈影响两相流动(尤其是流阻)和热传递方式,增大了流体的流阻和热损失,并削弱了流体的得热能力.动载引起的冲击交混流改变了管壁温度的均匀性和变化规律,即随着过载的增大,在一定范围内,管壁底部温度降低,顶部温度升高.      

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.