考虑磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性分析

接触式指尖密封在工作过程中不可避免地会发生磨损,而磨损又会改变其泄漏特性进而影响旋转机械的效率。为了揭示磨损对指尖密封泄漏特性的影响规律,本文在指尖密封多孔介质流动分析模型的基础之上,建立了考虑转子离心膨胀和磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性数值分析模型,数值研究了转速和安装过盈量对指尖密封磨损及其对应的泄漏特性的影响规律。结果表明：考虑磨损效应时,指尖密封泄漏量随磨损时间的增加呈现出先减小后增大的趋势;转子转速越低,泄漏量降低至最小值所需的磨损时间越长,但最小泄漏量及其所对应的瞬态配合过盈量始终一致;安装过盈量越小,泄漏量降低至最小值所需的磨损时间越短,但最小泄漏量所对应的瞬态配合过盈量始终一致;此外,在任意磨损时刻,密封上下游压差越大泄漏量也越大。     

浮环密封泄漏特性数值计算与试验

为了研究不同压差、温度和转速下浮环密封的泄漏特性,建立了CFD数值计算模型,计算分析了某型航空发动机浮环密封泄漏特性。针对转速引起的泄漏量变化,提出了通过有限元方法计算不同转速下密封跑道的离心膨胀量对流场尺寸进行更改;针对温度、压差引起的流体状态参数改变,通过状态方程进行计算,并对本构方程中相关参数进行重新确定。为有效验证数值计算模型的有效性,进行了全工况条件下浮环密封泄漏特性试验。结果表明:随着压差升高,数值计算得到的泄漏量不断趋近试验结果,在压差大于等于0.1 MPa后,数值计算得到的泄漏量与试验结果的平均偏差在6.08%~9.43%。     

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.      

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。      

指式密封泄漏特性及温度场的数值研究

本文研究了指式密封系统的泄漏特性及热变化特性,通过采用多孔介质模型进行数值模拟,得到了指式密封泄漏量与转速、结构参数等因素之间以及密封区域最高温度与安装过盈量、密封压差之间的影响关系,研究结果可为指式密封结构设计、接触副材料选择和安装方式提供参考。     

刷式密封摩擦生热温度场数值计算及试验

在摩擦热热源条件下建立了CFD多孔介质数值计算模型,对某型航空发动机刷式密封摩擦生热温度场进行计算分析,开展了刷式密封装置全工况条件下摩擦生热试验研究,采用红外成像技术实现了刷式密封动态温度场实时监测。根据试验结果对摩擦生热温度场计算方法进行了修正,引入了刚度修正系数,并对刚度修正系数进行了确定及验证。总结出经过试验验证的航空发动机刷式密封摩擦生热温度场计算分析及试验方法,结果表明:与全工况试验结果相比,计算误差值从48.15%减少到10.67%。      

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.      

指尖封严的转子轴心轨迹与泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的指尖封严组件的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了试验.转子的轴心轨迹采用电涡流传感器进行测量,其测量结果表明:转速越大,转子轴心的偏移越小;在不考虑磨损的情况下轴心偏移对配合状态基本没有影响.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;过渡和间隙配合时,在压差小于0.3MPa时泄漏系数随压差增加而增大,压差达到0.3MPa后,泄漏系数趋于平缓;过盈配合时压差对泄漏系数没有明显的影响;泄漏系数随封严间隙的减小而减小,随过盈量的增大而减小.      

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     

蜂窝密封泄漏特性理论与实验

蜂窝密封的泄漏特性直接影响航空发动机的工作效率。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法系统研究蜂窝密封的泄漏特性。建立了蜂窝密封流场特性CFD求解模型,数值分析了转速、进出口压比、蜂窝孔对边距、蜂窝孔深、蜂窝壁厚等因素对密封泄漏量的影响,揭示了蜂窝密封的封严机理。设计搭建了蜂窝密封泄漏特性实验台,实验研究了进出口压比、转速等因素对蜂窝密封泄漏特性的影响。数值分析与实验测试相互验证,在此基础上,考虑蜂窝密封泄漏特性影响因素,结合传统经典迷宫密封泄漏量Egli公式,构造了蜂窝密封泄漏量计算公式。研究结果表明,蜂窝密封的孔深、对边距和壁厚是通过影响蜂窝孔中涡系的发展和蜂窝孔的密度来影响泄漏量的。涡系发展的越充分,蜂窝孔的密度越大,蜂窝密封的泄漏量就越小;转速对蜂窝密封泄漏量影响较小;蜂窝密封的泄漏量随进出口压比的增加而增大,两者近似呈线性关系;随着蜂窝孔深度增加,蜂窝密封泄漏量先逐渐减小后逐渐趋于平稳;随着蜂窝孔对边距增加,密封泄漏量先减小,后出现了小幅度的增加;随着蜂窝壁厚的增加,蜂窝密封泄漏量先近似线性增大后缓慢增大。本文研究为蜂窝密封结构设计提供理论依据。     

高转速袋型阻尼密封泄漏的特性

采用有限元分析和计算流体动力学耦合数值分析方法(FEA/CFD),研究了考虑转子系统由于高速旋转造成转子径向伸长效应时袋型阻尼密封的泄漏特性和流场形态.计算了密封间隙为0.13mm时,袋型阻尼密封试验件在3种压比、3种转速下的泄漏量,并与试验值和不考虑转子伸长效应的CFD数值模拟结果进行了比较,验证了所采用的FEA/CFD数值方法的可靠性(误差小于1.3%)和高转速下考虑转子伸长的必要性.研究了6种压比、6种转速下密封间隙为0.25mm的袋型阻尼密封的流场和泄漏量,分析了压比和转速对袋型阻尼密封泄漏特性的影响规律.结果表明:当压比大于0.26时,随压比的减小,袋型阻尼密封泄漏量逐渐增大;当压比减小到一定值时(π<0.26),泄漏流体的马赫数在最后一个密封齿间隙处达到1.0,即发生了堵塞,此时泄漏量达到与密封进口总压相对应的最大值;在高转速下,考虑和不考虑转子半径的伸长,密封泄漏量均随转速的增大而减小;在转子面周向马赫数大于0.35时,需要考虑转子半径伸长对泄漏量的影响.      

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。     

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.      

表面织构靴底流体动压指尖密封的性能分析

表面织构靴底流体动压指尖密封是本文提出的一种新型柔性气体密封。建立了具有圆形微坑表面织构靴底的指尖密封分析模型,采用流固耦合有限元数值计算方法,分析了不同工况和织构结构条件下表面织构靴底流体动压指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征。结果表明具有圆形微坑织构靴底的指尖密封具有较低的泄漏率和较高的气膜承载力,通过与现有典型人字槽流体动压指尖密封和接触式指尖密封的性能对比,进一步说明了表面织构靴底指尖密封的综合性能优势。流体压差对表面织构靴底流体动压指尖密封的性能影响较大;压差较大时,适当增大微坑直径、减小微坑深度、采用均匀分布的微坑结构形式,有利于提高密封性能。本文工作为设计性能良好的指尖密封结构提供了一种新思路。     

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.