金属封严环泄漏率预测方法

针对金属封严环设计中泄漏率估算问题,综合对密封系统宏观结构和微观表面接触变形的考量,提出一种基于数值计算的泄漏率预测方法。对密封整体结构进行计算,以计算值(接触应力、接触面积)为输入参数,以表面粗糙度为评价指标建立微观粗糙表面,使用有限元法(FEM)进行接触计算后建立泄漏通道模型,在对泄漏缝隙内流体流动特性确定后通过计算流体力学(CFD)方法计算得到泄漏率。使用密封试验台进行泄漏率试验,将计算值与试验结果相比较。研究表明:随着接触应力增加、表面粗糙度值降低以及内外腔压差增长,密封系统泄漏率逐渐减小;所提出的方法极大地摆脱了泄漏率获取对于试验仪器的依赖性,并能够较为有效地预测金属密封结构的泄漏率,对先进的金属封严环的设计和评估具有重要意义。     

金属封严环泄漏率预测方法

针对金属封严环设计中泄漏率估算问题，综合对密封系统宏观结构和微观表面接触变形的考量，提出一种基于数值计算的泄漏率预测方法。对密封整体结构进行计算，以计算值（接触应力、接触面积）为输入参数，以表面粗糙度为评价指标建立微观粗糙表面，使用有限元法（FEM）进行接触计算后建立泄漏通道模型，在对泄漏缝隙内流体流动特性确定后通过计算流体力学（CFD）方法计算得到泄漏率。使用密封试验台进行泄漏率试验，将计算值与试验结果相比较。研究表明:随着接触应力增加、表面粗糙度值降低以及内外腔压差增长，密封系统泄漏率逐渐减小；所提出的方法极大地摆脱了泄漏率获取对于试验仪器的依赖性，并能够较为有效地预测金属密封结构的泄漏率，对先进的金属封严环的设计和评估具有重要意义。      

动叶顶部蜂窝面迷宫密封对涡轮级气动性能的影响

采用计算流体动力学软件数值研究了某1.5级轴流涡轮转子叶尖蜂窝面迷宫密封泄漏流动对主流流场的影响,分析了不同的顶部间隙下叶尖密封泄漏流对主流流场的影响以及泄漏流与主流的掺混对下游静叶流场的影响,并对带与不带蜂窝面的迷宫密封对涡轮级气动性能的影响进行了比较.研究结果表明:泄漏流与主流在动叶下游掺混后导致掺混区域流体速度发生偏转,以负攻角进入下游静叶,带来攻角损失.泄漏流体带有较高的径向速度,在静叶栅通道中会向中间叶展处发展,使得静叶栅上半通道的流场结构发生改变,带来额外的二次流损失.并且随着叶顶间隙的增大,损失也随之增大.蜂窝的特殊六边形结构极大地降低了密封腔中流体的周向速度,减小了泄漏流重新进入主流时与主流的速度差异,从而减小了掺混损失.并且蜂窝结构能改变迷宫腔内气体的流动形态,采用蜂窝面的迷宫密封能有效地降低泄漏.      

温度对浮环密封泄漏特性的影响

为揭示不同温度工况下浮环密封封严间隙的变化过程,采用有限单元法和CFD进行了数值计算,并结合试验研究,获得了不同封严气体温度下浮环密封的封严间隙.数值计算得到的泄漏量与试验结果的最大偏差为13.1％,最小偏差为-5.05％,偏差的标准差≤7.23％.数值计算结果与试验结果一致.揭示了不同封严气体温度下封严间隙的变化过程...     

低泄漏高寿命刷式封严的数值计算

通过空气动力学计算方法探索新型低泄漏高寿命三层片式刷式封严结构。利用商用计算流体力学软件STAR-CD,用定常可压缩N-S方程对刷封进行三维流动模拟,计算不同压差下的泄漏情况。以泄漏量作为评价指标,确定新型刷式封严结构的密封特性并对其进行改进。计算结果表明:随着进出口压差的增大,泄漏量增大;改进的封严刷环结构泄漏性能优于简单的片式刷封结构;"70度模型"的泄漏性能略好于"75度模型",说明增加层与层间的夹角可以达到减少泄漏量的效果。      

封严间隙对盘缘密封性能影响的数值研究

通过对真实工况下高压涡轮的盘缘封严进行三维数值模拟,研究了3种不同轴向间隙和径向间隙对封严效率和盘腔内流场变化特性的影响规律,结果表明:针对复合封严结构及研究参数范围,由于静盘封严环将盘腔划分为封严外容腔和封严内容腔,而封严外容腔可以有效地将主流燃气阻隔在内,因此封严内容腔具有较高的封严效率。当轴向间隙增大时,封严环轴向重合度会逐渐减小,同时冷气出流阻力降低,盘腔的封严效率因而提高。当轴向间隙一定径向间隙逐渐减小时,封严外容腔径向距离减小,此时盘腔低半径处封严效率升高。     

浮环密封结构弹性对间隙泄漏量和动力学系数的影响

为了研究高压条件下浮环密封结构弹性变形对间隙流体激励产生的影响,基于bulk flow模型、有限单元法和位移-位移耦合模式,建立密封间隙流体激励和浮环结构耦合模型。通过与文献和商业软件对比,验证耦合模型的正确性和计算方法的准确性。研究结果表明高压条件下浮环结构弹性导致密封间隙明显缩小,对心条件下,入口处弹性变形达到21.43%,泄漏量减小19.2%。同时,主刚度降低,交叉刚度相对增加,锁死偏心率越大,结构弹性的影响越明显,导致转子临界转速降低和振动响应增大。     

航空发动机W形封严环封严效果影响因素分析

在一定气压差和封严面的机械表面形态下,W 形封严环的封严效果和其与法兰之间的封严面积密切 相关,合理选择封严环结构参数并提升封严环与法兰之间的封严面积,可以达到提升封严性的目的。使用有限 元分析软件ABAQUS模拟在预紧工况下,封严环主要结构参数、预压紧量对W 形封严环与法兰之间封严面积 的影响规律。结果表明:选取较大的外半径,预压紧量和壁厚可使零件与法兰封严面积增大,壁厚与外半径对 封严环与法兰接触面积影响较大,在设计过程中应综合考虑封严效果和刚度弹性,合理选择壁厚和外半径的 大小。     

表面织构靴底流体动压指尖密封的性能分析

表面织构靴底流体动压指尖密封是本文提出的一种新型柔性气体密封。建立了具有圆形微坑表面织构靴底的指尖密封分析模型,采用流固耦合有限元数值计算方法,分析了不同工况和织构结构条件下表面织构靴底流体动压指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征。结果表明具有圆形微坑织构靴底的指尖密封具有较低的泄漏率和较高的气膜承载力,通过与现有典型人字槽流体动压指尖密封和接触式指尖密封的性能对比,进一步说明了表面织构靴底指尖密封的综合性能优势。流体压差对表面织构靴底流体动压指尖密封的性能影响较大;压差较大时,适当增大微坑直径、减小微坑深度、采用均匀分布的微坑结构形式,有利于提高密封性能。本文工作为设计性能良好的指尖密封结构提供了一种新思路。     

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。      

周向弹簧力分布对圆周密封装置密封性能的影响

为了研究周向弹簧力分布形式对密封装置密封性能的影响,针对周向弹簧建立力学模型,分析周向弹簧力不均匀分布形式产生的原因,并对其不均匀分布的临界范围进行预测分析,建立泄漏预测模型对密封结构的密封性能进行研究。首先对密封装置主要结构进行受力分析,研究周向弹簧不均匀加载对密封结构变形的影响,再结合ANSYS软件对圆周密封装置主要部件进行结构-热耦合仿真计算,进而通过仿真分析验证理论分析的合理性。仿真结果表明：不均匀周向弹簧力产生的附加力矩使得密封环翘曲变形,主密封面径向接触间隙最大位置出现在密封环的接头区域;相比弹簧力分布均匀条件,当弹簧力分布形式的不均匀程度处于临界范围内时,接触间隙增加了24.52%,气体泄漏量增加了7.99%;当弹簧力分布形式的不均匀程度处于临界范围外时,接触间隙值呈倍数增加,气体泄漏量增加一个数量级。综上,周向弹簧力不均匀分布导致主密封面接触间隙值增加、密封结构气体泄漏量增加、密封装置密封性能下降。周向弹簧力的不均匀分布对密封装置的密封性能有较为严重的影响,在实际工程应用中应尽可能保证周向弹簧的不均匀分布程度处于临界范围内,避免由于弹簧卡滞使得密封结构密封性能下降。     

柔片式密封泄漏流动的数值仿真分析

针对柔片式密封的流场和密封性能及其影响因素进行研究,建立了密封区域流体动力学计算模型,对密封间隙内流场的速度、压力分布和泄漏量进行了计算,分析了工况和结构参数对泄漏量的影响趋势.分析表明:密封泄漏量随密封压差的增大呈线性增长趋势,而随转子转速的增加变化不大;柔片宽度由3mm增加至7mm,系统泄漏量降低了40%左右,而柔片长度由12mm增加至16mm,泄漏量仅增加8%左右;前/背板与柔片或转子间间距的增大将使泄漏量上升,且前板与转子间设计间距对泄漏量相对影响较大,随其增加,泄漏量最高可增加16%;柔片末端楔形区域对泄漏量及对转子作用力均产生影响.      

Sealing reliability modeling of aviation seal based on interval uncertainty method and multidimensional response surface

Many variables affect the sealing performance, and their distribution characteristics are difficult to obtain with probabilistic methods owing to the high cost involved. Numerous problems in engineering are similar due to the appearance of small-sample parameters. In this study, the sealing reliability of an aviation seal was defined as the research object, and an interval uncertainty method and multidimensional response surface were proposed to calculate the sealing reliability.Based on this, we first analyzed the failure mechanism of the aviation seal and established a leakage rate model. Then, based on the non-probabilistic interval model, an interval uncertainty method was proposed to construct the analytical model. With reference to the limit state equation from the structural reliability theory, the multidimensional response surface was used for fast calculation.Then, we chose the single-cylinder gas steering gear used in aircraft as the case study, its sealing reliability in working and non-working statuses were calculated, and the results were verified with the actual maintenance records. By analyzing the sensitivity of some variables, we can improve the sealing reliability of the aviation seal by improving the surface roughness only if the cost allows.Finally, we consider that the method proposed in this study realizes the application of smallsample uncertainty analysis in reliability analysis, and could provide a feasible way to solve the similar problems in engineering with multidimensional and small-sample parameters.     

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。     

Surface Roughness Effects on Vortex Torque of Air Supported Gyroscope

In order to improve the drift precision of air supported gyroscope, effects of surface roughness magnitude and direction on vortex torque of air supported gyroscope are studied. Based on Christensen’s rough surface stochastic model and consistency transformation method, Reynolds equation of air supported gyroscope containing surface roughness information is established. Also effects of mathematical models of main machining errors on vortex torque are established. By using finite element method, the Reynolds equation is solved numerically and the vortex torque in the presence of machining errors and surface roughness is calculated. The results show that surface roughness of slit has a significant effect on vortex torque. Transverse surface roughness makes vortex torque greater, while longitudinal surface roughness makes vortex torque smaller. The maximal difference approaches 11.4% during the range analyzed in this article. However surface roughness of journal influences vortex torque insignificantly. The research is of great significance for designing and manufacturing air supported gyroscope and predicting its performance.     

Slip boundary conditions for rough surfaces

The velocity slip and temperature jump for a two-dimensional rough plate under hypersonic conditions were analyzed using the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method. Surface roughness was explicitly modeled by introducing various structures on the flat plate. The influences of relative roughness height, which involves the roughness height, roughness spacing, incoming velocity, and the degree of rarefaction, were analyzed and discussed. It is found that with the increase of the relative roughness height, the jump temperature increases, while the slip velocity decreases gradually. The effects of surface roughness on the slip coefficients can be attributed to the change of accommodation coefficients. A new slip model for rough surfaces was established in this paper, which accounts for the coupling effects of gas rarefaction and surface roughness, without the effort to model the surface roughness explicitly. The nitrogen flows in the microchannel, and flows over a blunt cone and an axisymmetric bi-conic body, were simulated under the modified and conventional slip boundary conditions, respectively. The numerical solutions were validated with experimental data. It can be safely concluded that compared with the traditional first-order slip boundary conditions, the modified slip model improves the accuracy of macroscopic properties, especially the heat transfer coefficient.     

篦齿封严泄漏特性的实验

为了研究工程实际尺寸下篦齿封严泄漏特性,设计并搭建了篦齿封严实验台.在进出口压比为1.1~2.0的条件下,探究了节流间隙、齿数、齿腔深度和宽度等对篦齿封严泄漏量和密封腔内压力分布的影响.结果表明:泄漏系数随着压比和节流间隙的提高而增加,但压比达到1.6后,增加趋势逐渐变缓;增加齿数能显著提高篦齿的封严性能,但随着齿数变多,效果逐渐减弱;较浅和较宽的齿腔对于提高篦齿的封严性能更有利;进出口压比、节流间隙和齿腔深度对于篦齿腔内压力系数的分布几乎没有影响;篦齿腔内沿程压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小;在篦齿封严中,越接近入口的齿腔对密封性能提高的贡献越大,对封严性能的优劣起着决定性作用.      

形状记忆合金梁式管接头密封性能数值研究

针对一种阴接头密封梁具有椭圆弧凹槽的形状记忆合金梁式管接头,利用ABAQUS软件建立考虑管内流体压力和温度的弹塑性有限元热力耦合模型,数值模拟得到阴、阳接头间的接触带宽和接触应力分布。基于逾渗理论与微观粗糙密封界面有限元接触分析,计算得到形状记忆合金材料密封界面泄漏概率为零的临界接触应力。结合第一道密封的接触应力分布,以S指数作为形状记忆合金梁式管接头密封性能的评价指标,数值模拟了预紧力、管内流体压力和温度对形状记忆合金梁式管接头密封性能影响。结果表明：在装配拧紧力矩范围内形状记忆合金梁式管接头密封性能随着预紧力增大而增强;密封性能随着管内流体压力的升高会提高,具有良好的自封性;在-50～200℃的管内流体温度范围内密封性能基本稳定,满足密封要求。数值分析表明在相同工作条件下形状记忆合金梁式管接头相比于不锈钢和钛合金梁式管接头具有更优的密封性能。     

基于流固热耦合的非金属迷宫密封泄漏特性与公式构造

建立了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏特性流固热耦合数值求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了聚醚醚酮（PEEK）、填充30%碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK-CA30）和铝合金三种材料迷宫密封在不同压比、温度下的流场特性、结构力学特性与泄漏特性,并基于Vermes公式构造了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量理论公式。研究结果表明:建立的迷宫密封流固热耦合模型可以准确计算非金属密封齿的变形量和变形后的泄漏量。在研究的三种材料中,采用PEEK-CA30材料密封齿的变形量相对较小,占密封齿径向长度的0.35%~0.67%,其密封性能较好,相比于未考虑齿变形密封的泄漏量增加1.2%~6.8%。当温度高于500 K,压比大于3时,采用铝合金材料密封齿的最大等效应力达到材料的屈服极限而引起密封件失效。所构造的泄漏量理论公式能够准确预测考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量,为非金属迷宫密封泄漏特性分析提供理论依据。