指尖密封轴向布局的变尺度结构研究

采用有限元技术研究了在不同压差条件下,指尖密封轴向布局中密封件轴向尺度配置对指尖密封装置的迟滞特性、密封靴与转子接触封严区接触压力的影响。研究结果表明:不同工况条件和轴向布局结构对迟滞率和接触压力的影响较为复杂,而夹心状指尖密封轴向布局结构能够具有相对较优良的迟滞特性和接触特性的匹配关系。研究工作同时表明有必要进行指尖密封轴向布局结构及尺寸的优化研究。      

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。      

指尖密封的温度场及热结构耦合分析

以单梁-双层密封片为单元建立了指尖密封热分析模型,依据指尖密封的实际工况确定了指尖密封热分析边界条件,通过有限元分析获得了不同工况条件下指尖密封的温度场分布,结果表明指尖密封的最高温度分布区域与高压腔气体温度高低有关,随着高压腔气体温度升高,最高温度分布区域自指尖靴部向高压密封片中部转移.在指尖密封热分析基础上进行了指尖密封热结构耦合分析,获得了考虑热效应的指尖密封的迟滞特性和接触性能.与不考虑温度影响的指尖密封性能分析结果相比,考虑热效应下的指尖密封的迟滞量减小,指尖与转子间的接触压力明显增大.      

一种低迟滞低磨损的指尖密封型线构形的研究

针对迄今指尖密封多目标性能优化研究中存在的难以实现迟滞性能和磨损性能同步改善的问题,通过引入Stackelberg对策理论,并将指尖密封型线构形作为优化"元素",构建了指尖密封迟滞性能和磨损性能优化的Stackelberg模型.在正向Stackelberg主从对策机制下,采用基于有限元仿真和BP神经网络的遗传算法在Stackelberg系统主从层面上实现了指尖密封性能的可控优化,获得了具有低迟滞低磨损性能的"上凹"构形指尖密封型线.有限元仿真分析合理地解释了"上凹"型线指尖密封具有较好性能的原因,表明"上凹"型线指尖密封具有良好的应用前景.      

“定制”与“广义”概念下的指尖密封结构优化

 为了获得高性能的指尖密封结构型式，根据指尖密封的结构组成特点，提出了“定制”型线和“广义”型线概念下的指尖密封结构优化策略，以及反映指尖密封基本组成特征和具有“单元叠加”功能的最小优化单元。通过采用统一优化法和分步优化法对两类指尖密封结构的多目标优化问题进行了优化分析，研究结果表明，“定制”型线指尖密封结构优化和 “广义”型线指尖密封结构优化的策略和方法，可以达到同步降低指尖密封迟滞率和综合刚度的多目标优化目标，是获得具有良好综合性能的指尖密封结构的有效途径。从工程意义上讲，“广义”型线指尖密封结构优化技术更具选择指尖密封性能优化取向和程度的优势。     

圆弧型线指尖密封结构的形成方法和迟滞性能分析

对圆弧型线指尖密封结构的形成方式进行了分析和研究,在此基础上采用有限元技术对圆弧型线指尖密封结构的迟滞性能进行了计算分析。计算结果表明:在相同的展开角范围内,2种圆弧型线指尖密封结构的迟滞性能要优于对数螺线指尖密封结构的迟滞性能,圆弧型线弧长较短的指尖密封结构的迟滞性表现更优。     

基于系统响应特征的指尖密封泄漏特性分析

结合指尖密封动态工作特点,通过研究转速和转子不平衡力与转子跳动之间的关联规律,得到转子的位移激励,构建了指尖密封系统的动态计算模型,依据指尖密封的系统响应特征研究其泄漏间隙的获取办法,进而基于泄漏间隙特征建立了指尖密封动态泄漏量计算方法.针对某型发动机转子进行了动态泄漏量分析,结果表明:在转子每个转动周期内,指尖密封的动态响应跟随转子激励周期性变化,由此产生的动态迟滞泄漏间隙也随时间而周期性变化,迟滞泄漏的大小随着密封上下游压差的增加而增大,随着转子转速的升高先增加后减小;设置一定的装配过盈量能够一定程度地减小迟滞泄漏;指尖密封磨损后迟滞泄漏规律表现出先减小后增加再降低的变化趋势;与国内外试验结果的对比分析初步验证了提出的计算方法,为指尖密封动态性能设计方法研究提供了参考.      

指尖密封动态性能分析与泄漏量计算

指尖密封作为一种新型密封技术,不平衡力激励条件产生的动态迟滞泄漏以及动态磨损是制约其性能提高和应用的两个重要因素。为此,对指尖密封动态工作条件下的激励形式和装配过盈进行了技术处理,构建了指尖密封系统的动力学分析模型,获得了指尖密封在转子激励下的位移响应以及动态条件下指尖靴与转子之间的接触压力分布,并根据位移响应结果得到了指尖密封的动态泄漏间隙,建立了指尖密封动态泄漏率计算方法。以某型发动机转子为实际算例进行了分析计算,结果表明：适当设计装配过盈可以降低指尖密封响应幅值,缩小与转子激励的相位差,减小迟滞,提高跟随性,改善密封效果;指尖靴与转子之间的接触压力随转子的激励做周期性变化,无论是过盈量还是密封上下游压差的增加都会增大接触压力,并且使一个运动周期内指尖靴与转子的接触时间变长;转子位移激励的幅值受到支承轴承游隙的约束,当转子达到“特定”转速以后受到轴承游隙的限制而等于游隙。通过与参考文献中试验结果的对比分析验证了计算结果的合理性。     

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。      

圆弧型指尖密封的几何构型特征及结构优化

对圆弧型指尖密封构型特征进行了分析,确定了型线圆弧半径与圆弧中心圆半径的关系及取值范围;建立了指尖密封低泄漏和低磨损的综合性能优化设计方法。优化算例表明:通过该优化设计方法可以得到满足一定工况条件的综合性能良好的圆弧型指尖密封结构。通过对设计变量的灵敏度分析发现,在圆弧型指尖密封设计变量中对综合性能影响程度从大到小依次为型线圆弧半径、指尖梁宽度角、指尖靴高、下游保护高度和密封片厚度。与渐开线型指尖密封比较,圆弧型指尖密封在低泄漏性能上更具优势。本文工作为深入研究圆弧型指尖密封以期获得适应于不同条件的、性能更优的指尖密封结构形式奠定了一定的基础。     

指尖密封动态性能分析与泄漏量计算

指尖密封作为一种新型密封技术,不平衡力激励条件产生的动态迟滞泄漏以及动态磨损是制约其性能提高和应用的两个重要因素.为此,对指尖密封动态工作条件下的激励形式和装配过盈进行了技术处理,构建了指尖密封系统的动力学分析模型,获得了指尖密封在转子激励下的位移响应以及动态条件下指尖靴与转子之间的接触压力分布,并根据位移响应结果得到了指尖密封的动态泄漏间隙,建立了指尖密封动态泄漏率计算方法.以某型发动机转子为实际算例进行了分析计算,结果表明:适当设计装配过盈可以降低指尖密封响应幅值,缩小与转子激励的相位差,减小迟滞,提高跟随性,改善密封效果;指尖靴与转子之间的接触压力随转子的激励做周期性变化,无论是过盈量还是密封上下游压差的增加都会增大接触压力,并且使一个运动周期内指尖靴与转子的接触时间变长;转子位移激励的幅值受到支承轴承游隙的约束,当转子达到"特定"转速以后受到轴承游隙的限制而等于游隙.通过与参考文献中试验结果的对比分析验证了计算结果的合理性.     

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.      

指式密封泄漏特性的实验研究

设计了三组不同间隙的实验件,研究了基本结构指式密封从初始使用到稳定后的泄漏特性.结果表明:指式密封在初始使用时泄漏量较大,而且迟滞较为明显;随着使用时间的增长,密封性能趋于稳定,稳定后"指"之间的间隙对泄漏系数影响比较大;随着压差的增大,泄漏系数先是增加,后趋于定值;在实验转速范围内(<3 000 r/min),转子转速对指式密封泄漏系数影响不大;密封泄漏系数随密封层数的增加而减少.      

基于多孔介质模型的指尖密封泄漏流动分析

将指尖密封处理为多孔介质,把压力梯度作为多孔介质动量方程中的源项,根据试验结果确定了源项中的系数,结合指尖密封的结构参数提出了用于指尖密封泄漏的多孔介质模型,利用该模型计算结果与试验结果吻合较好,证明利用该模型模拟指尖密封泄漏是可行的.流场计算结果表明:指尖密封与转子接触部分的孔隙率对泄漏影响比较大,指尖密封的承压部分主要为后挡板内径以下区域.