高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验

在分析高速涡轮泵轴端非接触动静结合型机械密封所处的高速、低温、高压力、低黏度介质润滑等极端工况基础上,发展了考虑密封副固体、被密封流体、弹性补偿支撑单元等在内的热、流、固、力耦合的密封综合性能求解模型。基于此模型,完成了对处在低温、低黏度润滑介质下的机械密封运转性能的分析及关键结构参数的优化,优化的目标为密封承受载荷力W和泄漏量Q为最大及液膜产生的功耗（或温升）较小。以优化后的密封样件开展了低温液氮模拟介质运转试验,考察优化后密封在低温条件下的快速启动特性和摩擦特性。结果表明:低温高速工况下的密封外人字槽和内螺旋槽组合结构的槽数为30、槽深为3μm为一类优化结果,低温运转试验表明正常工作时端面摩擦因数为0.14。      

可控式液体润滑高速螺旋槽端面密封试验

研制了电磁加载装置和摩擦力矩测试装置,并将其应用于液体润滑的螺旋槽端面密封试验中.试验研究了端面密封坝处液膜特性、端面温升、端面摩擦力等密封性能参数以及端面闭合力对密封性能的影响.试验结果表明,密封坝处压力随转速的增加而增加,当转速较大时,端面的温升也较高.端面密封在液膜润滑下具有较小的摩擦力.利用电磁加载装置和摩擦力...     

静环振动对涡轮泵端面密封失效的影响

为了深入认识涡轮泵端面密封的失效机理,采用动网格方法和可压缩液体模型模拟了静环简谐振动对密封腔内流体的激励作用,获得了静环脱开的力学条件,并研究了静环振动对密封失效的影响规律和改进措施。计算结果表明,静环简谐振动将激励密封腔内流体产生压力脉动,并在静环两侧形成较大的压力差;静环承受的净作用力周期性波动,在位移处于π/2相位时达到最大值;随着静环振动频率和幅值增大,最大净作用力也不断增大,最终达到静环脱开泄漏的条件。在简谐振动作用下,净作用力峰值受振动频率影响较大;在脉冲冲击作用下,净作用力峰值与冲击过程有关,而与脉冲的出现频率关系不大。通过连通静环两侧的流体,可以减弱静环振动产生的激励作用,大幅降低净作用力的脉动峰值,从而提高端面密封的可靠性。     

平面叶栅内气-固两相流场的高速摄影

两相流中以球形阳离子交换树脂(平均直径d_p=600μm)为固体粒子,其在流场中运动轨迹基本上是直线。粒子末与壁面碰撞时粒子最终速度可达来流速度的40％～60％。碰撞后速度下降,碰撞后与碰撞前速度之比与入射角β_1有关。通过实验数据拟合得到U_(p2)/U_(p1)=1.0+0.166β_1-1.293β_1~2+0.689β_1~3-0.00329β_1~4。该式与他人结果有差别,说明模拟实验需进行相似理论分析,以选择适当的粒子。     

径向油孔结构对环下润滑高速轴承内部流动特性的影响研究

为了研究径向油孔结构对环下润滑高速轴承内部流动特性的影响规律，根据高速轴承内部流动特征建立了数值计算方法，针对包含输油通道、径向油孔和轴承组件的物理仿真模型开展了油气两相流动计算，对比并讨论了不同径向油孔结构下轴承内部的油气分布和黏性摩擦损失。数值模拟结果表明，径向油孔孔径增大后轴承内部的平均滑油体积分数单调增加且滑油分布更均匀。径向油孔布设在周向油槽的同侧有利于提升轴承内部的平均滑油体积分数，同时滑油沿周向分布的均匀性较好。轴承组件表面扩展参数受径向油孔结构的影响，其变化趋势与平均滑油体积分数的变化相似。全部采用经验公式预测得到的黏性摩擦损失整体偏高，且不能反映径向油孔结构参数的影响，数值模拟和经验公式相结合计算得到的黏性摩擦损失与直接采用数值模拟获得的结果表现出较好的一致性。     

燃气涡轮发动机用汽相润滑系统的研究

在回顾燃气涡轮发动机用润滑系统发展的基础上 ,指出了液态、固态润滑系统的不足 ,汽相润滑系统的优点。重点介绍了美国Wright试验室关于汽相润滑系统的最新研究成果 ,包括试验研究、发动机试验和汽相润滑状态下轴承温度理论预估模型。Wright的研究表明 :汽相润滑系统可用于燃气涡轮发动机的轴承装置中 ,相对液态 (油 )润滑系统而言 ,可明显降低发动机的重量和成本 ,同时可提高发动机的承温能力。     

大型管中两相爆炸现象的实验研究

介绍了用于研究气－液和气－固悬浮流中加速火焰诱导激波现象的两套实验装置,即长９ｍ,内径０．１４ｍ两侧装有１５套喷雾系统的水平气云火焰加速管和长１２ｍ内径０．１４ｍ两侧装有２０套喷粉系统的水平粉尘火焰加速管,利用上述装置,对铝粉粉尘云和戊烷气雾云两相悬浮流中火焰加速诱导激波现象进行了实验研究,用压电传感器测试管内某点的压力信号和离子探针测试火焰阵面信号,从而得到管内火焰传播的规律和管内压力参数的变化     

航空直齿轮喷油润滑油气两相流分析

针对航空直齿轮喷油润滑的啮齿瞬时流体状态进行研究,首先对航空直齿轮在喷油润滑工况下一个轮齿的啮合过程与润滑状态作了分析,然后建立了适合齿轮喷油润滑油气两相流分析的瞬态数学计算模型,最后通过计算流体动力学软件对其进行了建模与仿真计算.计算得到了齿轮啮合过程中啮合迹上每一个啮合点的油气率与入口压力数值及其在啮合过程中的变化规律.计算结果为进行齿轮弹性流体动力润滑和混合润滑的计算与分析提供了准确的流体状态参数以及压力入口边界条件.      

熔盐泵盐析两相流冷态模型试验和数值研究

为了揭示熔盐泵内盐析两相流动的规律,采用白金汉定理,建立了熔盐泵输送固液两相流的相似准则,根据所设计的熔盐泵模型试验方案,对熔盐泵内部流动进行了数值模拟,采用高速摄像技术捕捉了泵内的盐析两相流动,阐述了试验结果与模拟结果之间的差别。研究了颗粒直径和密度对熔盐泵外特性和内部流动的影响。结果表明:数值模拟结果和试验结果之间的误差小于10%。叶轮流道出口处颗粒的绝对速度从叶片的压力面到吸力面逐渐减小。分析得到了叶轮内固相和液相的速度三角形之间的关系,当颗粒的密度大于液相的密度时,颗粒绝对速度沿圆周方向的分量小于液相。进一步分析得到了叶轮出口处密度分别为2000、2250、2500、2750、3000kg/m3的颗粒的运动速度三角形之间的关系,颗粒密度越大,叶轮出口绝对速度沿圆周方向的分量越小,泵的扬程越小。      

弹流润滑螺旋锥齿轮热摩擦行为分析

针对直升机主减速器中的高速重载螺旋锥齿轮,建立了点接触热弹流润滑分析数学模型,包括Reynolds方程、能量方程和膜厚方程等,采用数值方法求解弹流润滑状态下的齿面摩擦因数.模型中考虑了润滑油黏度和密度随压力、温度的变化,并通过轮齿承载接触分析(LTCA)获得齿面真实载荷和卷吸速度、相对滑动速度等运动学变量.基于真实齿面点建立了螺旋锥齿轮单齿模型,考虑滑动摩擦生热和不同表面上的热边界条件,通过有限元稳态热分析和瞬态热分析得到了轮齿本体温度场和接触点瞬时闪温,并与现有文献和算例齿轮台架试验结果进行对比.      

轮毂封严冷气对涡轮性能和热负荷的影响

采用气动传热耦合方法计算分析了轮毂封严冷气对多级涡轮流动结构、性能和热负荷的影响.结果表明:在多级涡轮中冷气与主流燃气的相互作用会显著影响盘腔流动结构以及冷气在封严腔出口间的分配,并导致冷却效果和性能随冷气流量非线性变化,在这种情况下采用气动传热耦合计算可以兼顾捕捉和考察温度调控能力和气动损失的急剧改变.在涡轮级间冷气带来的堵塞效应会使相邻涡轮级工况点沿特性线移动,下游涡轮级2.5%的封严冷气就可以导致上游涡轮主流流量变化约0.6%,膨胀比变化约1.2%.在涡轮级内部未经预旋的封严冷气会减小转子叶根气动载荷,并形成黏性剪切层造成掺混损失,同时通过改变端区二次涡强度来影响流动结构,最终导致涡轮性能下降.      

非接触动静结合型机械密封的主动可控性及其脱开机理

针对非接触动静结合型机械密封运行中的脱开现象和泄漏量控制要求,研究基于改变闭合力的机械密封主动可控方法.在原有基础上完善了动静结合型机械密封主动可控的原理,包括控制策略、控制元件及控制流程;结合高速涡轮泵轴端机械密封,给出了主动控制的设计过程,并理论和试验研究了其可控性和受可控元件影响的性能规律.完善了现有的机械密封脱开理论,并结合试验结果对可控型机械密封的脱开转速进行了机理分析.研究结果表明:提出的基于闭合力调控的密封可控性策略及控制敏感性参数范围[1,3.19],可满足对涡轮泵轴端机械密封泄漏量的动态主动控制;完善的脱开转速理论能合理地解释机械密封起飞阶段的端面非接触状态向接触状态转变过程.研究结果对于特殊工况下特种机械密封的设计、运行监测及动态控制具有参考价值.     

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.      

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.      

高帧频数字相机在高速流动显示中的应用

根据高速流动显示实验研究对高帧频图像采集设备的需要,基于分幅式光路设计原理,结合快响应像增强器和低照度CCD相机,研制了一套兆赫兹采样的高帧频数字相机。利用高帧频数字相机,开展了高速流动显不实验研究：基于高帧频数字相机,结合纹影技术,在激波管上针对方块、凹槽模型,开展了高速流动显示实验,获取了运动激波与模型边界相互作用的序列图像,观察到湍流涡随时间演化发展的过程。结合一台输出功率为8W的连续激光光源和高帧频数字相机,建立了一套高速片光散射流动显示系统,获取了喷流的米氏散射序列图像。实验证明,基于高帧频数字相机的纹影及片光散射技术具备开展高速流动显示实验研究的能力。     

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.      

锥形间隙孔型阻尼密封动力特性分析及抑振机理

应用非定常动网格技术建立了锥形间隙孔型阻尼密封动力特性多频椭圆涡动求解模型,研究了锥形度和涡动频率对孔型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了锥形间隙孔型阻尼密封的抑振机理。结果表明:锥形间隙增强了孔型阻尼密封的泄漏直通效应,增加了密封泄漏量。在平均间隙相等的情况下,收敛间隙孔型阻尼密封泄漏量小于发散间隙孔型阻尼密封;在同一涡动频率下,刚度系数随着锥形度的增加而增大,阻尼系数随着锥形度的增加而减小;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的正直接刚度,增加了转子系统的固有频率,发散间隙孔型阻尼密封产生较大的负直接刚度;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的有效刚度和穿越频率,较小的有效阻尼,发散间隙孔型阻尼密封具有较大的有效阻尼,较小的有效刚度和穿越频率;在锥形间隙孔型阻尼密封结构设计时,需要同时考虑转子系统固有频率和同心度的影响。      

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。      

航空煤油泵轴尾机械密封副材料特性

为选择适合在航空煤油介质中工作的机械密封副材料,对材料的摩擦特性进行了研究,利用摩擦磨损试验机得到不同工况条件与表面粗糙度下材料的摩擦因数、温升,在原子力显微镜(AFM)下对3组典型配对材料的微观磨损形貌进行观测,分析磨粒磨损和黏着磨损的行为差异,计算磨损的关键参数。研究发现:聚四氟乙烯（PTFE)在既定条件下为性能最佳的软材料;硬材料表面粗糙度值为0.05时的摩擦性能最佳,不同硬材料间性能差异不大。研究发现PTFE在配磨材料上产生的犁沟效应最轻微,黏附的元素颗粒最少;黏着磨损会造成表面高度分布函数的偏移,利用离散化求解公式得到了黏着体积与平均黏着厚度。