刷式封严结构泄漏特性的数值研究

为了简化工程设计,将刷束区域处理为多孔介质模型并建立控制方程,其区域内压力对空间坐标的导数作为动量方程中的源项,推导出动量源项中的黏性损失系数和内部损失系数,从而建立了模拟刷式封严结构泄漏流动的多孔介质模型。采用FLUENT软件对刷式封严结构的泄漏特性进行数值模拟,并根据试验结果对计算模型进行修正,使计算结果与试验结果比较吻合。用修正的多孔介质模型对刷式封严结构的泄漏流场进行了分析,分析结果具有一定的工程意义     

基于正交试验法的刷式封严泄漏特性数值研究

为了研究刷式封严的泄漏特性,针对刷环外径Do,刷环内径Di,刷丝直径d,刷丝排列角度β,刷束厚度B,后挡板保护高度HF以及上下游压差Δp,环境温度T和转子转速N等9个影响刷式封严泄漏特性的主要参数,依据正交试验原理设计了32个封严结构模型,对零间隙配合时各参数对泄漏特性的影响进行了数值研究。研究结果表明:在给定的参数范围内,上述参数对刷式封严泄漏量的影响程度有明显区别,其影响程度由主到次的顺序为:Δp→Di→Do→B→d→HF→β→T→N。根据以上正交试验结果可以推断泄漏量最小的刷式封严结构,并用数值计算证明了其泄漏量最小。     

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.      

刷式封严磨损特性及其对泄漏影响的试验研究

为了获得刷式封严磨损特性及其对泄漏影响,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进行了试验研究,试验测量了磨损量、泄漏量和转子轴心轨迹等。根据测量结果对各配合刷式封严的磨损特性和磨损对泄漏影响进行了研究。分析结果显示,在磨损特性方面:间隙配合状态下,磨损是局部磨损;过盈配合状态下,磨损发生在整个试验阶段,在试验初始阶段磨损较严重,且磨损较为均匀地发生在整个圆周;过渡配合的磨损发生在整个圆周上,且其磨损不均匀。在磨损对泄漏影响方面:间隙配合状态下,试验初始阶段小压差下磨损对泄漏的影响不明显,在中等压差0.2~0.3MPa时较为明显;过渡配合,磨损对泄漏的影响在小压差和中等压差下较为明显,大压差下不明显;过盈配合下,磨损对泄漏的影响发生在整个试验阶段且磨损对泄漏的影响随磨损量变化的减小而逐渐减小,试验的初始阶段磨损对泄漏的影响最为明显;试验的初始阶段,过盈配合时磨损对泄漏影响最大,过盈配合时次之,间隙配合时最小。     

镍基耐高温自润滑刷式封严涂层研究

为满足先进航空发动机刷式封严对涂层材料自润滑耐磨性能的要求,采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY-Cr_2O_3和NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo两种复合涂层;采用扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和高温摩擦磨损试验等分析测试手段研究了涂层的物相组成、微观结构、力学性能以及摩擦磨损性能。结果表明:研制的两种新型涂层具有较低的孔隙率、较高的显微硬度和结合强度,从20℃到800℃的磨损量都在10~(-5)mm~3·N~(-1)·m~(-1)数量级,显示出优异的耐磨性能;NiCoCrAlY-Cr_2O_3涂层在摩擦系数随着温度的升高而降低,在800℃达到最低值0.3;NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo涂层从400~800℃的摩擦系数一直保持在0.23左右。对其摩擦机理的研究表明:400℃时涂层与高温合金GH4145对磨件之间形成连续的含Ag润滑膜,600℃以上时摩擦表面生成的Ag_2MoO_4自润滑相显著降低了涂层的摩擦和磨损。     

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。      

模拟刷式封严泄漏流动的多孔介质模型

将刷束处理为多孔介质,在动量方程中引入由于多孔介质对流体流动的阻碍作用而引起的动量源项,之后详细分析了刷束孔隙率的确定方法并根据实验结果确定了该孔隙率,从而建立了模拟刷式封严泄漏流动的多孔介质模型.对该模型的计算结果做进一步的修正后,可以与实验结果很好地吻合,证明了利用该模型预测刷式封严的泄漏量是可行的.      

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。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

刷式密封刷丝变形与振动特性实验

刷式密封刷丝运动变形引起的泄漏损失、刷丝断裂等问题较为突出。本文分析刷式密封刷丝运动变形理论模型,设计搭建刷式密封刷丝变形与振动特性观测实验装置,设计加工了3种周向倾角的低滞后型刷式密封实验件,实验观测并研究刷式密封刷丝轴向变形特性,刷丝吹下效应、刷丝分层和刷丝振动特性,揭示刷式密封刷丝运动状态。研究结果表明,在进出口压比1.5~4工况下,刷式密封刷丝自由端轴向变形量随着压比的增大而近似线性增加,周向倾角对刷丝轴向变形影响不大。刷式密封前排刷丝吹下效应明显强于后排刷丝,随着周向倾角的增大,刷式密封刷丝吹下效应逐渐减弱,在本文研究工况下,周向倾角为50°、55°和60°的刷式密封刷丝最大吹下量分别为0.60、0.45和0.34 mm。刷式密封刷丝产生分层现象的主要原因是在气流力的作用下,刷丝束轴向产生变形,刷丝束自由端在不相等的转子表面轴向摩擦力作用下,刷丝束进一步产生不同步的变形量,导致刷丝束出现间隙进而形成刷丝分层现象。刷丝振动主要发生在刷丝密度相对松散的区域,且随着压比的增大而增强,刷丝自由端位移随时间呈振荡变化,其在轴向的振幅大于周向的振幅。     

Effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of brush-labyrinth seals at various operating conditions

Over the last few decades, the research on the effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of the brush-labyrinth seals is not sufficient. To this end, two kinds of brush-labyrinth seals for the bristle pack element installed upstream of the labyrinth teeth named BSU and installed downstream of the labyrinth teeth called BSD were used to investigate the effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of the brush-labyrinth seals. Using the numerical model combining the porous medium model and the whirling rotor method, the rotordynamic characteristics of the BSU and BSD at various operating conditions including four kinds of pressure ratios, five kinds of inlet preswirl speeds and four kinds of rotor spinning speeds were conducted. The obtained results show that the effects of operating conditions on rotordynamic coefficients for the different seal configurations are different. The direct stiffness, cross-coupled stiffness and direct damping of the BSU are lower than those of the BSD. The rotordynamic coefficients of the BSU are more insensitive to the operating conditions variation. From the perspective of the seal stability, the BSU is a better brush-labyrinth seal configuration at high pressure ratio, high positive preswirl or high rotor spinning speed conditions. While in the case of low pressure ratio, low positive preswirl or low rotor spinning speed conditions, the BSD is a better choice.     

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。      

减压腔宽度对刷式密封泄漏特性和滞后效应的影响

对减压腔轴向宽度分别为0、04 mm和06 mm的基本型和两种低滞后刷式密封结构进行了静态和动态下压差升降和转子转速升降循环试验,并对其泄漏特性和滞后效应进行了研究。研究结果表明:压差大于02 MPa后,同一压差下的动态泄漏系数比静态降低约14%~20%;低滞后结构的密封性能优于基本型,其泄漏系数最高比基本型降低约20%;静态压差升降循环中,减压腔轴向宽度为06 mm的低滞后结构的滞后效应最强;动态的压差升降循环中,基本型结构的滞后效应最强。转子转速升降循环前后,w为06 mm结构泄漏系数减小约15%,滞后效应最强,减压腔轴向宽度为04 mm结构几乎不存在滞后效应;三种结构中,减压腔轴向宽度为04 mm的结构密封性能最优,滞后效应也最弱。     

Effects of swirl brake axial arrangement on the leakage performance and rotor stability of labyrinth seals

Swirl brakes are usually introduced at the seal entrance in industry to improve the seal stability, especially for labyrinth seals suffering low seal clearance and high inlet preswirl ratio. However, how to arrange swirl brakes at the seal entrance to obtain better seal stability retains unknown, such as the axial distance between the brake trailing edge and the first tooth. To this end, the effects of the distance between brakes and the first tooth on the leakage flow rate and seal rotordynamic coefficients were numerically investigated at typical inlet preswirl ratios of 0.45 and 0.8, and the predicted results were in comparison with the results for no-brake configuration. The obtained results disclose that the brake configuration arranged against the first tooth produces lower circumferential velocity in the downstream of the brakes as a result of the larger counter-clockwise vortex moving from the brake trailing edge to the brake leading edge when compared to the brake configuration away from the first tooth. Besides, the dropped circumferential velocity in the downstream of brakes will cause larger pressure fluctuation in the circumferential direction and thus generates larger tangential force to restrain the rotor forward whirl. On the other hand, the effective damping is further increased when the distance between brakes and the first tooth decreases to zero, that is, the crossover frequency is even disappeared at the inlet preswirl ratio of 0.45 and successfully drops from 69.9 Hz to 32.7 Hz at the preswirl ratio of 0.8.     

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 of136 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...     

Effects of tooth bending damage on the leakage performance and rotordynamic coefficients of labyrinth seals

Tooth bending damage resulting from an intense impact by the rotor sometimes occurs in the transient operation. To investigate the influence of after-damage clearance and tooth bending length on the leakage performance and rotordynamic coefficients of labyrinth seals, three tooth bending damages were taken into consideration, including the unbent tooth damage(abbreviated as Unbent), the partial tooth bending damage(abbreviated as Pbent) and the complete tooth bending damage(abbreviated as Cbent)...     

后挡板结构对刷式密封泄漏特性影响实验研究

为了研究后挡板结构对刷式密封泄漏特性的影响,模拟航空发动机静态和动态工况,对三种不同后挡板结构的刷式密封泄漏特性进行实验研究。实验结果表明：相比于标准型刷式密封,后挡板结构中设计环形平衡腔能有效缓解刷式密封刷丝滞后效应,但间隙值过大将导致刷式密封性能下降;刷式密封实验件b（有环形平衡腔,与刷丝束之间的间隙为0.2mm）的泄漏参数Φ2保持在7 g﹒K1/2﹒mm/（N﹒s）以内,表现出优异的密封性能,这说明合适的环形平衡腔间隙值设计,能有效缓解刷式密封刷丝滞后现象。根据实验结果,环形平衡腔的间隙设计值应不大于0.4mm。     

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。