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.     

航空发动机磁力密封设计与试验研究

简要介绍了磁力端面密封的工作原理,研究了这种密封的设计要点及上进行了性能、耐久性及寿命试验.试验结果表明,磁力端面密封具有密封性能优异、寿命长等优点,基本能够满足某型发动机研制的需要.     

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。     

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。      

端面气膜密封的高性能端面结构

针对端面气膜密封设计中遇到的几种典型端面结构,对它们的密封特性进行了定量的分析比较,特别是建立了不同典型端面的密封特性与膜厚的关系,有利于指导端面气膜密封的端面选型。分析中,对每种密封端面,其结构参数都是依据有关文献选取的优化或近似优化的数据。在有关端面密封气膜压力分布的计算中,采用了对几何结构适应性强的有限元素法。     

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。     

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%。     

气体止推箔片轴承试验台设计及试验

设计并制造了带有箔片密封式活塞加载装置的气体止推箔片轴承试验台,对带有冷却通道和径向辐射分布波纹箔片的止推箔片轴承进行了试验研究,分别在15000,20000,25000r/min转速下采用摩擦力矩法对带有冷却通道的止推箔片轴承进行了承载力测试试验.结果表明:带有箔片密封结构的活塞式加载装置能够很好地实现止推轴承加载功能,验证了试验台设计的成功,该止推箔片轴承在不同转速下分别得到了145,195,260N的推力,并且轴承承载力和气膜间隙成非线性关系.      

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。     

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.      

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。      

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.     

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.     

Leakage and wear characteristics of carbon seals for aero-engines

Experimental investigation has been performed to study the leakage and wear characteristics of carbon seal working at high circumferential speed. To expand the scope of application, two newly designed carbon seals were compared: #1 Carbon Seal (CS1) with the inner diameter of 136 mm and including 4 segments, #2 Carbon Seal (CS2) with the inner diameter of 212 mm and including 6 segments. Air leakage tests were firstly conducted in the Medium-speed Seal Test Rig. The pressure ratio changed from 1.04 to 2.02 with the rotating speed varying from 0 to 18300 r/min. Of paramount concern was the durability test, including 300 h running time accumulated by three different working conditions, which was separately implemented on each carbon seal. The morphology variation of the friction surface, wear and leakage were recorded. Results indicated that the leakage monotonously increases with the pressure ratio and decreases with the rotating speed. Comparing with CS1, more typical features exist on the friction surface of CS2, which are generated by more severe wear. Continually, leakage characteristics deteriorate. Furthermore, fitted formula has been educed for the life prediction of carbon seal, which could provide some supports for aero-engine design.     

Reliability estimation of rotary lip seal in aircraft utility system based on time-varying dependence degradation model and its experimental validation

With several attractive properties, rotary lip seals are widely used in aircraft utility system, and their reliability estimation has drawn more and more attention. This work proposes a reliability estimation approach based on time-varying dependence analysis. The dependence between the two performance indicators of rotary lip seals, namely leakage rate and friction torque, is modeled by time-varying copula function with polynomial to denote the time-varying parameters, and an efficient copula selection approach is utilized to select the optimal copula function. Parameter estimation is carried out based on a Bayesian method and the reliability during the whole lifetime is calculated based on a Monte Carlo method. Degradation test for rotary lip seal is conducted and the proposed model is validated by test data. The optimal copula function and optimal order of polynomial are determined based on test data. Results show that this model is effective in estimating the reliability of rotary lip seals and can achieve a better goodness of fit.     

典型阶梯篦齿高转速密封性能试验

在高转速密封试验设备上，进行了实际尺寸阶梯篦齿压比(1.05～28)、相对密封间隙(齿尖密封间隙和齿宽比)(24～40)、泄漏流雷诺数(1900～28000)及旋转速度(0～12000r/min)等对密封性能影响的试验。结果显示:篦齿流量系数随压比变大而上升，随相对密封间隙变大而降低；转速低于5000r/min时，旋转对篦齿流量系数影响不明显，高转速、小压比时，篦齿流量系数随转速的升高而降低，降幅超过301%；较小雷诺数下，篦齿流量系数随雷诺数的减小快速降低，雷诺数超过6000以后，篦齿流量系数受雷诺数的影响不明显；气流通过阶梯篦齿第一道齿的压力损失最小，通过最后一道齿的压力损失最大，通过中间各齿的压力损失相当。基于试验测试数据，修正了典型阶梯篦齿流量系数的求解关系式，修正后的关系式计算值与实测值吻合良好。      

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.      

带阻尼套简篦齿封严装置的动力响应和减振规律研究

为有效解决篦齿封严装置在设计和使用中出现的振动过大的问题,提出了带阻尼套筒篦齿封严装置的动力响应分析方法,并对篦齿封严装置转子件在摩擦片不同分布位置时的动力响应进行了计算分析,得到了减振效果随摩擦片不同分布位置的变化规律。