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.     

指尖封严磨损特性及其对泄漏影响的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合的指尖封严的磨损特性及其对泄漏的影响进行了试验研究,分析了不同配合状态下封严件与转子的磨损现象、磨损长度以及封严泄漏系数的分布.试验结果表明:封严磨损随封严与转子相对滑动距离增大而增加；间隙配合状态下,封严出现局部磨损,磨损及其对泄漏的影响主要发生试验初始阶段；过盈配合时,封严件整体均出现磨损,且磨损发生在整个试验阶段,磨损对泄漏的影响在初始阶段较大、之后逐渐减小；封严的间隙越小(过盈量越大),磨损对泄漏影响越大.      

舱外服活门组件密封粘接研究

针对舱外服活门组件的密封粘接及工作环境要求，对HXJ-14、HYJ-51和FHJ-75三种增韧改性环氧胶黏剂开展了特种胶黏剂选型及典型环境性能研究、典型粘接样件粘接面结构设计和粘接工艺优化研究。结果表明：优选出的HYJ-51胶黏剂具有良好的粘接性能、耐交变温度循环性能、耐湿热环境性能、耐介质浸泡性能，满足舱外服活门组件密封粘接要求。在典型活门粘接组件中，控制聚四氟乙烯滑套和不锈钢阀体的配合间隙为0.1~0.15 mm，并且在不锈钢阀体粘接面上增加环形槽结构，可以有效减少粘接面的缺胶面积，避免形成贯穿性通道，提高活门组件粘接的密封可靠性。经过产品生产验证，实现了活门组件的可靠密封粘接，成功用于航天员舱外服生命保障系统。     

高温基线密封编织弹簧管的建模与仿真

为了研究高温基线密封中的编织弹簧的回弹特性,参照Pierce线圈模型对编织弹簧管进行参数化建模。采用有限元软件对编织弹簧管进行静力学仿真,对比有限元计算结果与实验数据,接触面摩擦因数为0. 1时仿真结果与实验结果吻合较好。弹簧刚度对线径十分敏感,回弹力与线径呈现非线性高次关系。增加编织线股数,弹簧刚度会成倍增加。温度在低于600℃时对弹簧刚度的影响较小,在高于600℃后,弹簧刚度随着温度升高快速下降。通过S-N曲线计算编织弹簧管在650℃时的最低疲劳寿命高于密封设计要求。研究结果表明,在编织弹簧管的设计要求的前提下,环密度为0. 05、线径为0. 32 mm、双线编织的编织弹簧管具有较好的性能。。     

Numerical investigation on leakage and rotordynamic performance of the honeycomb seal with swirl-reverse rings

Honeycomb seals are a crucial component to restrict the leakage flow and improve system stability for the turbomachines and aero-engines. In this work, the leakage and rotordynamic performance of honeycomb seals with the Swirl-Reverse Ring(SRR) is predicted by employing the approach of Computational Fluid Dynamics(CFD) and the multifrequency whirling model theory.Numerical results show that the positive preswirl flow and circumferential velocity can be effectively weakened for the honeycomb seal...     

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。      

基于灰色系统理论的刷式密封磨损量的预测方法

运用灰色预测理论，根据已有试验测得的刷丝磨损量数据，建立刷式密封刷丝磨损量的灰色预测模型，估算刷式密封件的使用寿命，并进行了试验验证。试验结果表明：灰色模型预测具有可行性且具有良好的预测精度及，3种试验工况下工作500 min时的刷式密封磨损量进行预测对比，最大相对残差为1.57%，最大绝对残差为0.16 mm³，对后续刷式密封装置的稳定运行、修理和更换具有一定的参考意义。     

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。      

超临界二氧化碳多槽型干气密封泄漏流动与动力特性研究

针对超临界二氧化碳（SCO₂）旋转机械面临的严重泄漏、气流激振引发转子失稳等问题，以美国通用电气公司10MWe SCO₂循环中高压涡轮的轴端密封为研究对象，设计了螺旋角15°和30°的螺旋槽、T型槽和ST型槽的四种槽型结构的干气密封。采用基于动网格技术和非定常CFD数值方法的微尺度摄动模型，研究了在实验边界条件下干气密封的稳态性能及在轴向简谐微扰动下SCO₂涡轮轴端干气密封的非稳态动力学特性。对比分析了3种动压槽深度、2种动压槽角度下的干气密封泄漏量、静态气膜刚度、动态气膜刚度和阻尼系数。研究表明：四种槽型均满足泄漏流量的设计要求。随着动压槽深度的增加，干气密封开启力与泄漏流量均增大。ST型槽干气密封有着较大的气膜刚度和刚漏比，同时其在面对轴向微尺度摄动时最为稳定，是综合性能最优秀的干气密封结构。     

低前挡板型小尺寸刷式封严泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了实验研究.转子的轴心位移采用电涡流传感器进行测量，其测量结果表明:压差小于0.4MPa时，转子轴心位移随压差的增大略有减小；当压差达到0.4MPa后，其轴心位移范围不再随压差而变化；在不考虑磨损的情况下轴心位移对不同配合状态的封严泄漏特性基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上，试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小；间隙配合下有明显的滞后，过盈配合下滞后不明显；磨损对泄漏的影响在过盈配合下比较显著；间隙配合下压差在0.1～0.2MPa泄漏系数随压差的升高而增大，压差为0.3MPa时泄漏系数降低，0.3MPa以后泄漏系数变化趋于稳定；过盈配合下泄漏系数随压差的升高总体呈增大趋势，压差在0.3～0.5MPa时增大的趋势较小，泄漏系数较为稳定.