Rotordynamic characteristics prediction for scallop damper seals using computational fluid dynamics

Enhancing damping characteristic is one of the effective methods to solve the instability problem of the rotor system. The three-dimensional numerical analysis model of scallop damper seal was established, and the effects of inlet pressures, preswirl ratios, rotational speeds, interlaced angles and seal cavity depths on the rotordynamic characteristics of scallop damper seal were studied based on dynamic mesh method and multi-frequencies elliptic whirling model. Results show that the direct stiffness of the scallop damper seal increases with decreasing inlet pressure and increasing rotational speed and cavity depth. When the seal cavity is interlaced by a certain angle, which shows positive direct stiffness. The effective damping of the scallop damper seal increases with the increasing inlet pressure, the decreasing preswirl ratio and the rotational speed and cavity depth. There exists an optimal interlaced angle to maximize the effective damping and the system stability. The leakage of the scallop damper seal is significantly reduced with decreasing inlet pressure. The preswirl will reduce the leakage flowrate, and the rotational speed has a slight effect on the leakage performance. The leakage of the scallop damper seal decreases with increasing seal cavity depth.     

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。     

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.     

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...     

耦合热、动载荷的超超临界汽轮机迷宫密封动力特性

密封汽流激振严重影响超超临界汽轮机的安全运行,采用DEFINE_CG_MOTION和DEFINE_PROFILE控制宏建立转子的涡动方程,通过Workbench流固耦合方法计算热、动载荷下密封齿形变,根据快速傅里叶变化得到机组运行时的密封动力特性,并对转子稳定性进行分析。结果表明:蒸汽可导致密封齿膨胀变形,温度对密封齿长度变化影响可达1%~1.5%,压力和离心作用对其影响较小。热、动载荷使迷宫密封直接刚度减小,直接阻尼先增加后减小,交叉刚度先减小后增加,动力系数的最大变化为原来的2倍。35~55 Hz内转子稳定裕度急剧下降,转子对密封汽流激振更敏感。热、动载荷引起的压力波动集中在低频范围,密封周向压力波动可增高18.5 kPa。密封高压区的压力波幅剧增是汽流激振显著的主要原因。      

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。      

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。     

旋转状态下篦齿流量特性试验研究

篦齿是航空发动机中非常重要的密封流动单元。本文用试验方法研究了2齿和10齿直通型篦齿在旋转状态下的流量特性,获得了篦齿流量特性随进出口压比的变化关系,同时测量了不同转速下篦齿各齿间压力。结果表明:在低压比(<1.8)、低转速(<1 000 r/min)情况下,旋转对篦齿流量特性影响较小;但随着转速的升高,同一压比下,流量系数会降低,在转速2 500 r/min时,流量系数比静止状态时降低了约8%,齿间压力也有一定程度的下降。     

蜂窝密封封严特性的实验研究

实验研究了3种规格的蜂窝密封在不同转速、不同密封间隙下的封严特性，并与梳齿密封进行了比较。蜂窝密封在转子转速为6 000 r/min时的漏气量比转子静止时的漏气量减少约4.8%。半径间隙为0.12mm时，芯格尺寸为1.6mm的蜂窝密封封严效果最好，半径间隙为0.06mm时，梳齿密封的漏气量比蜂窝密封少。     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

刷式封严初期使用特性的实验和数值研究

为了获得刷式封严在使用初期的泄漏特性,分别对两组实验件进行了27小时和50小时的泄漏特性实验,并利用多孔介质模型对实验结果进行了数值分析。实验表明:在使用初期,刷式封严的泄漏量与上下游的压差成正比;随着使用时间的增加,其泄漏水平逐渐降低直至最后趋于稳定。数值分析表明:在使用初期,刷丝排列由最初的疏松状态逐渐趋于紧密,并最终稳定在接近于紧密差排的状态,刷丝排列状态的变化改变了刷束的孔隙率,从而改变了刷束对流体泄漏的阻力,导致了刷式封严泄漏水平的变化。     

阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究

密封动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大,在密封入口端部设置阻旋栅是提高密封稳定性的有效方法。设计加工了无/有阻旋栅共5种密封结构,从数值分析与实验研究两个方面研究阻旋栅对密封静力与动力特性的影响规律。建立阻旋栅密封静力特性CFD理论模型,数值分析阻旋栅对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;应用不平衡同频激励法实验研究阻旋栅对密封动力特性的影响。研究结果表明:阻旋栅可降低密封的泄漏量,减小密封内流体的切向速度,进而降低密封内流体的周向压力差,且随着阻旋栅周向稠度与径向长度的增加,这种作用逐渐增大,这是阻旋栅抑制气流激振力的主要原因;预旋是密封产生交叉刚度的重要因素,密封的交叉刚度随进出口压比与转速的增加而增大;阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度,增加密封的主阻尼,提高密封的稳定性。本文研究揭示了阻旋栅抑制密封气流激振力的机理,为设计阻旋栅密封提供理论依据。     

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。      

刷式篦齿组合密封性能试验研究

与传统篦齿密封相比,刷式密封作为一种新型密封装置,密封性能改善明显。但在高压差条件下,刷式密封的封严性能提升效果不明显。为满足航空发动机高压差高性能需求,本文设计一种刷式篦齿组合密封来提升刷式密封的综合封严性能。刷式密封和刷式篦齿组合密封泄漏特性的仿真分析及对比试验结果表明,同工况条件下,刷式篦齿组合密封相比刷式密封,其泄漏量可减小（34.7%～68.5%）,封严性能更优异。因而,刷式篦齿组合密封为航空发动机高压差密封提供新的低成本途径,且结构紧凑、泄漏量低。     

预旋对蜂窝密封和迷宫密封内流动传热特性影响

采用数值求解三维雷诺平均纳维尔-斯托克斯(RANS)方程技术,研究了进口预旋对典型航空发动机用光滑面迷宫密封和蜂窝密封的泄漏流动和传热特性的影响规律.计算了-0.3,0,+0.3三种预旋工况下,两种密封的流动特性和温升特性随压比的变化关系.计算结果表明:预旋对密封的泄漏特性和子午面上的流场形态的影响十分微弱;在相同压比条件下,正预旋会导致密封的总温升减小,而负预旋会导致密封总温升增大;蜂窝面的阻尼作用会削弱预旋对密封内温升特性的影响;进口无预旋或施加正预旋时,蜂窝密封的间隙热能比光滑面迷宫密封大,但进口施加负预旋时恰好相反.      

新型浮动式收敛袋型密封动力特性与自适应同心性能数值研究

提出新型浮动式收敛袋型密封结构,建立新型收敛袋型密封与传统迷宫密封多频椭圆涡动动力特性求解模型,研究转速、进出口压比及偏心率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封浮动同心力的影响,对比分析涡动频率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封动力特性系数的影响,基于有效刚度系数定量分析浮动密封的自适应同心性能.研究结果表明:随着转速、进出...     

Dynamic performance of a C/C composite finger seal in a tilting mode

The complex operating state of aeroengines has an impact on the performance of finger seals.However,little work has been focused on the issue and the dynamic performance of finger seals is also rarely studied.Therefore,a distributed mass equivalent model considering working conditions is proposed in this paper for solving the existing problems.The effects of the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle of a C/C composite on the dynamic performance of a finger seal are investigated in rotor tilt based on the proposed model.The difference between the C/C composite finger seal performances under the rotor precession and nutation tilt cases is also investigated.The results show that the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle have an influence on the dynamic performance of the finger seal as rotor tilt is considered,and the dynamic performance of the finger seal is different in the two kinds of tilting modes.In addition,a novel method for design of finger seals is presented based on the contact pressure between finger boots and the rotor.Finger seals with good leakage rates and low wear can be acquired in this method.     

前板结构对低滞后刷式密封性能影响分析

针对不同前板结构的低滞后刷式密封,采用多孔介质模型,进行流场计算,对计算得到的上游刷丝压力、速度分布、刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能以及刷式密封泄漏量进行分析,讨论对于低滞后刷式密封的性能的影响.分析表明:前板结构对上游刷丝压力、轴向速度分布以及刷式密封泄漏量无明显影响,对上游刷丝径向速度分布影响较大;无前板及过长前板结构,刷封上游靠近跑道区域湍流动能较大,前板开孔可降低刷丝上游靠近跑道区域的湍流动能,减弱刷丝扰动的趋势.      

用于转子系统的气膜密封阻尼结构稳态特性

针对航空发动机转子既转动又进动的运转情况,推导用于转子系统的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构(gas film seal damper,GFSD)雷诺方程.基于GFSD运动方程和位移协调关系,建立转子－气膜－金属橡胶三者之间的流固耦合关系,确定稳态压力场求解流程,并提出金属橡胶刚度的定量设计方法.采用有限差分法求解稳态压力场,研究GFSD工作参数和结构参数对稳态特性的影响,为GFSD结构参数设计提供参考,最后与直通式篦齿封严的泄漏量进行比较.结果表明:合理设计金属橡胶刚度能够使GFSD自适应地调节气膜间隙;在保证动压润滑的基础上,选取大长径比、小金属橡胶刚度和密封间隙能够使GFSD具有良好的稳态特性;GFSD的泄漏量远小于直通式篦齿封严,能够满足现代航空发动机中高进出口压比下的封严需要.      

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.