高速水润滑机械密封的两相流热振动现象

处在高速、快速启动、低黏度介质润滑下的低温高速涡轮泵轴端机械密封性能与常规密封的性能发生了显著的变化，主要因素在于高速的振动影响、低黏度介质下的较差润滑性。以水为模拟介质，研究了低黏度介质下高速机械密封的运转性能，特别是气液两相流问题，实验过程中发现了两相流介质诱发的热振动问题，其机理可能在于受压缩有限空间内的流体可压缩性的变化导致。测试结果表明，在水润滑升速工况下，机械密封虽能够保持好的密封性能，但其性能变化规律较为复杂；在接触端面从接触到非接触状态的转变过程以及稳定运转过程中均存在两相流状态，密封端面温升和摩擦力存在明显的低频振荡，温度振荡可达30℃；出现汽化两相流的情况下，理论计算的结果与试验结果在升速时误差可达到50%以上。随着密封闭合力的增加，密封会出现明显的两相流现象，相变引起的温度和摩擦力的振荡可归结为一类流体密封的自激振动现象。     

动压式环瓣浮环密封特性及摩擦磨损研究

普通接触式环瓣浮环密封高速下不开启易造成磨损失效,动压式环瓣浮环一定转速下径向开启并保持无摩擦无磨损稳定运行,具有较好的应用前景。建立动压式环瓣浮环密封固体域及流场数值计算模型,计算开启阻力、开启力、泄漏率及温升,分析动压槽结构参数对密封开启的影响,讨论密封性能随槽型参数的变化趋势。基于数值分析优化参数,试验验证开槽前后密封的泄漏率及温升,讨论不同开启情况下密封的磨损特性。结果表明：优化的动压槽能可明显改变主密封间隙中的压力分布,提高流体动压力,实现开启,使密封高速下稳定无摩擦运转并保持较低的泄漏率,大幅度降低摩擦温升,改善密封的摩擦磨损。动压槽最佳深度宜为3~5μm,密封具有较大的开启力；槽宽增大开启力先增大后变缓,过大的槽宽对提高开启力不明显；工作压力增加密封开启难度增加,可通过增加槽数或提高转速实现开启；动压槽的槽深较大时,密封先迅速磨损后逐渐稳定,具有自磨损、自稳定的特点。研究结果为动压式环瓣浮环密封的结构设计和工程应用提供了参考。     

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...     

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。     

刷式密封泄漏和传热特性影响因素的数值研究

刷式密封作为接触式密封,刷丝与转子之间的摩擦热直接影响到密封封严性能和使用寿命,为向高性能刷式密封的设计提供参考,采用数值求解基于Non-Darcian多孔介质模型的ReynoldsAveraged Navier-Stokes(RANS)和局部非热平衡能量方程并结合有限元方法,建立了考虑刷丝束与转子摩擦热效应的刷式密封泄漏和传热特性分析的数学模型。研究了运行工况转速与压比和后夹板围栏高度对刷式密封泄漏和传热特性的影响规律。结果表明:不考虑刷丝束与转子的摩擦热效应时,刷式密封的泄漏量随转速升高略微降低;考虑摩擦热时,泄漏量因转速升高而显著降低,转速为8kr/min时泄漏量降低到0转速时的69%。刷丝最高温度随转速、压比和围栏高度增大而升高,刷丝束内部温度沿径向降低速率随压比和围栏高度增大而加快。高转速工况下转子产生离心伸长使其与刷丝之间的干涉量增大而影响摩擦热效应。     

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%。     

刷式密封摩擦生热温度场数值计算及试验

在摩擦热热源条件下建立了CFD多孔介质数值计算模型，对某型航空发动机刷式密封摩擦生热温度场进行计算分析，开展了刷式密封装置全工况条件下摩擦生热试验研究，采用红外成像技术实现了刷式密封动态温度场实时监测。根据试验结果对摩擦生热温度场计算方法进行了修正，引入了刚度修正系数，并对刚度修正系数进行了确定及验证。总结出经过试验验证的航空发动机刷式密封摩擦生热温度场计算分析及试验方法，结果表明:与全工况试验结果相比，计算误差值从48.15%减少到10.67%。      

油气混相回流泵送密封结构开启过程试验分析

为了揭示油气混相回流泵送密封（OG-RPS）结构开启过程的动态泄漏特性和开启特性,分别进行4 种典型密封结构的开 启过程运转试验。测量记录密封开启过程的动态泄漏量,进行泄漏特性和开启特性对比分析。结果表明：OG-RPS 的泄漏率变化分为 3 个明显的阶段,分别对应密封结构开启过程的3 种状态,通过泄漏率变化可有效监测密封结构开启过程。随着线速度的增大,密 封结构未开启时泄漏率逐渐增大,泄漏率为正值;密封结构不完全开启时泄漏率逐渐减小,泄漏率为正值;密封完全开启时泄漏率 逐渐减小,泄漏率为负值。槽数为12 个、槽深为5 滋m 和槽坝比为0.7 的OG-RPS 结构密封性能和开启性能最佳。研究成果为 OG-RPS 的优化设计、理论分析验证及实际应用提供了基础,并建立了1 种基于泄漏率监控密封结构开启过程的方法。     

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.     

螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性影响机理研究

螺旋槽对柱面气膜密封静力和动力特性有较大影响。应用非定常动网格技术建立了柱面气膜密封多频椭圆涡动静力与动力特性求解模型,分析了不同工况及结构参数下螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性的影响,研究了螺旋槽对封严气体泵吸效应与流体动压效应影响,揭示了螺旋槽对柱面气膜密封静力和动力特性的影响机理。研究结果表明：随着进出口压比与偏心率的增大,气膜内流体动压效应增强,封严气体压力分布不均匀,使得密封泄漏量增加。随着螺旋角的增大,气体经过螺旋槽泵吸效应与挤压作用聚集在螺旋槽根部,形成了较为明显的动压效应,使得泄漏量增加。当螺旋角为30°～50°时,密封的径向气流力指向转子涡动中心,切向气流力与转子涡动速度方向相反,有效地抑制了转子涡动,转子系统稳定性较好。     

表面粗糙度对航空液压作动器密封性能的影响

航空液压作动器普遍应用在飞机机翼、舱门、起落架等部位,往复密封为其典型密封形式,密封失效会 严重影响飞机任务的执行和飞行安全。密封副表面粗糙度是重要的工程可控参数且对于密封性能的影响很 大,因此分析表面粗糙度对作动器密封性能的影响具有重要的理论和实际意义。建立适用于往复组合密封的 确定性混合润滑数值仿真模型,并与有限元分析方法结合计算膜厚值,分析密封圈表面粗糙的幅值和波长变化 以及运动速度和液压油黏度变化对密封圈润滑性能和密封性能的影响。结果表明:正弦粗糙表面的幅值和波 长增大,会引起油膜压力和油膜厚度波动的幅值增大,但会减小摩擦系数;正弦粗糙表面的幅值增大,有利于减 小密封间隙的最小膜厚和泄漏量,但是波长变化的影响作用不大;液压油黏度和活塞运动速度增大,有利于增 大密封间隙油膜厚度,但会增大泄漏量和摩擦系数。     

动压式指尖密封工作状态及其影响的流固耦合分析

建立了动压式指尖密封流固耦合的模型和计算方法,对转子起动时该密封的工作状态进行了流固耦合仿真;研究了泄漏率、耦合面径向力随时间的变化情况;提出了稳态下评价该密封性能的参数——泄漏率和耦合面径向力;分析了工况条件及流层参数对性能参数的影响.研究发现:转子起动至稳定阶段时,泄漏率迅速减少达到稳定状态,耦合面径向力达到最大值后有所降低并最终趋于稳定,满足密封低泄漏、非接触的工作要求.该工作为开展动压式指尖密封性能优化奠定了基础.      

端柱面组合气膜密封系统稳态特性数值模拟与分析

针对端柱面组合气膜密封系统建立稳态特性的分析模型,给出基于有限元数值方法求解气膜压力分布的数值模拟方法和流程,实现端面、柱面区域的耦合求解,进而给出了端柱面组合气膜密封系统稳态特性数值模拟计算的方法.通过与Fluent软件仿真结果的比较验证数值模拟方法的正确性.重点研究膜厚与旋转轴转速对端柱面组合气膜密封系统稳态特性(端面气膜反力、柱面气膜反力、泄漏量、摩擦转矩)的影响,计算分析表明:随着膜厚的增加,泄漏量增加、摩擦转矩减小;随着端面膜厚的增加,端面气膜反力缓慢减小、柱面气膜反力出现极值;随着柱面膜厚的增加,端面气膜反力和柱面气膜反力都在减小;柱面膜厚对稳态特性的影响大于端面膜厚.端柱面结构中密封气膜压力的耦合对密封特性影响显著,稳态特性数值模拟方法的实现为动态特性分析提供了基础.      

缝隙-腔体密封结构在高速气流冲击下的整体流动、传热特性分析

 根据高马赫数流场特征参数变化快、固态场特征参数变化慢的特性,编制开发了针对高速气流的"半解耦"显式流固耦合近似计算程序,并通过数值方法分析了该方法的计算误差,分析结果显示其能够较准确地模拟高速流场与固态场长时间非稳态耦合问题.在此基础上,运用"半解耦"流固耦合方法数值模拟了高速气流横掠缝隙-腔体典型密封结构的非稳态过程,并与相关实验测试数据进行了对比,验证了程序可靠性.随后,进一步分析了气流侵入密封结构的主要特性,总结了密封结构内、外流场中气流温度、压力和速度的分布特征以及其随时间的变化规律,研究了密封结构中加热板气动热流随时间的变化规律,探讨了密封结构中固体温度场分布特征及其随时间积累的变化规律等.最终,计算结果说明了密封体的结构布局对其内部热状况的决定性影响.     

燃气轮机轮缘密封气动技术研究进展

为明确轮缘密封技术发展现状及趋势,在相关文献调研基础上,从轮缘密封燃气入侵的预测模型、轮缘密封不稳定流动机制、涡轮轮缘密封燃气入侵特性及流动机理、轮缘密封出流与涡轮主流的相互干扰、涡轮轮缘密封设计及气动性能改进等方面对燃气轮机轮缘密封气动技术的研究进展进行综述。简要总结了轮缘密封流动的常用研究方法与研究结果,并指出未来除需进一步完善多参数耦合影响下的多种封严结构燃气入侵理论预测模型,强化涡轮高参数试验及高精度数值计算方法外,还应在变工况条件下的旋转诱导入侵、轮缘密封间干扰和封严出流与主流非定常交互演化机制等方面开展更深入的细致研究,并在此基础上探索高性能轮缘密封结构设计优化技术。另外,强化气热环境下的封严出流对涡轮冷却特性的影响研究,发展考虑封严出流作用的涡轮低维度气动设计技术也是轮缘密封技术发展的重要方向。      

基于Abaqus-Isight的飞机舱门密封件的联合优化设计

为了适应飞机舱门密封件研制周期较短以及正向设计的发展趋势，基于Abaqus-Isight软件对飞机舱门密封件进行仿真分析和优化设计，同时校准了材料参数，提出了两种对飞机舱门密封件的优化设计方法，通过对比得到更优的密封件结构。通过试验得到橡胶与织物的材料参数，基于Abaqus-Isight对材料参数进行校核，通过试验得到的压缩试验曲线对材料参数进行修正，得到与成品试验拟合度更高的材料参数；基于Abaqus-Isight对飞机舱门密封件进行DOE正交试验优化设计，将产品结构参数作为变量，压缩力、接触压力、摩擦损耗能作为优化目标，可以得到局部最优结构；将DOE正交试验结果拟合得到近似模型，通过Isight的近似模型算法得到全局最优结构，综合评估采用近似模型算法能够得到更为优异的结果。