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。      

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.      

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。     

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。      

基于有限元仿真的指尖密封准动态性能分析方法

指尖密封性能的量化表达和计算效率一直是设计人员关心的问题。针对指尖密封的工作特点,对其泄漏机理和磨损特性进行了分析。基于有限元分析构建了指尖密封性能量化表达的准动态性能模型,解决了理论设计中磨损和泄漏特性难以计算和计算工作量较大的问题。采用该方法的研究结果表明环境温度升高到300℃时,泄漏率较之27oC条件下降低了65%,磨损率升高了约4%;指尖片厚度从0.1mm增加到0.5mm时,泄漏率降低了70%,磨损率升高了28%;同时指尖曲梁个数、转子转速和压差对指尖密封性能同样具有重要影响。分析初步表明,提出的计算方法能够较好地反映指尖密封实际动态特性,为指尖密封性能设计提供了快捷高效计算方法。     

航空发动机双转子系统的随机激励响应分析

针对航空发动机双转子系统受到一些无法预测的激励产生随机振动的现象,建立了不平衡双转子系统在随机激励作用下的运动方程。运用虚拟激励法,计算双转子系统在随机力下的位移响应功率谱密度,对其结构动力特性进行了研究。研究表明,当中介轴承刚度系数增大时,系统的固有频率增大并趋于定值。此时,外随机力引起的位移响应谱密度峰值减小并趋于无穷小值,而系统耦合作用引起的位移响应谱密度峰值先上升后减小,并在某个刚度值后,趋于无穷小值。根据研究结果提出了一些预防航空发动机双转子随机振动危害的措施。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

轴向尺度对指尖密封性能影响的分析

采用有限元接触模型分析了指尖密封片轴向尺度对指满面春风密封的迟滞特性及接触压力的影响。这种影响在不同的压差条件下体现出不同的特征，也存在着一个迟滞特性和压力大小优化匹配问题。通过分析不仅揭示了上述现象，而且表明了指尖密封轴向尺度优化分析的必要性。     

指尖密封泄漏特性数值计算与试验研究

为了研究不同压差和转速下指尖密封的泄漏特性,建立了CFD多孔介质数值计算模型,计算分析了某型航空发动机指尖密封泄漏特性。为有效验证数值计算模型的有效性,进行了一定压差、转速工况下指尖密封泄漏特性试验。针对压差和转子离心膨胀导致的多孔介质参数改变,根据试验结果对计算方法进行了分析,引入了压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k,并对修正系数进行了确定及验证。结果表明,未引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k时,计算得到的指尖密封泄漏特性与试验值会随着压差和转速的增加而偏离;引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k后,计算结果与试验值一致,未随着压差和转速的增加而偏离,最大偏差小于11%,平均偏差小于6%。     

结构及工况对人字型指尖气浮密封的性能影响

在对人字型指尖气浮密封工作条件下激励形式分析及处理的基础上,建立了人字型指尖气浮密封系统的分析模型,并得到了人字型指尖气浮密封系统的动态泄漏率和动态气膜承载力的计算方法.以实际算例分析了人字型槽不同结构参数和工况参数对密封性能的影响规律.结果表明:人字型槽的各结构参数对密封的性能都有影响,其中,螺旋角的变化对密封性能的...     

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.      

浮环密封结构弹性对间隙泄漏量和动力学系数的影响

为了研究高压条件下浮环密封结构弹性变形对间隙流体激励产生的影响,基于bulk flow模型、有限单元法和位移-位移耦合模式,建立密封间隙流体激励和浮环结构耦合模型。通过与文献和商业软件对比,验证耦合模型的正确性和计算方法的准确性。研究结果表明高压条件下浮环结构弹性导致密封间隙明显缩小,对心条件下,入口处弹性变形达到21.43%,泄漏量减小19.2%。同时,主刚度降低,交叉刚度相对增加,锁死偏心率越大,结构弹性的影响越明显,导致转子临界转速降低和振动响应增大。     

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。     

动压式指尖密封工作状态及其影响的流固耦合分析

建立了动压式指尖密封流固耦合的模型和计算方法,对转子起动时该密封的工作状态进行了流固耦合仿真;研究了泄漏率、耦合面径向力随时间的变化情况;提出了稳态下评价该密封性能的参数——泄漏率和耦合面径向力;分析了工况条件及流层参数对性能参数的影响.研究发现:转子起动至稳定阶段时,泄漏率迅速减少达到稳定状态,耦合面径向力达到最大值后有所降低并最终趋于稳定,满足密封低泄漏、非接触的工作要求.该工作为开展动压式指尖密封性能优化奠定了基础.      

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。     

关节轴承装配工艺仿真与承载能力验证

对外圈带环槽的自润滑关节轴承铆压装配过程进行有限元仿真,研究轴承座倒角尺寸、压头压入深度对翻边形状的影响,采用位移均匀加载方式分析轴承装配过程的轴承和轴承座变形,计算轴承装配时所需铆压力。通过对装配后的关节轴承从座孔脱出过程进行动态仿真,估算轴承装配后的轴向承载能力,得到轴向脱出力与压头位移的关系曲线,并对脱出力的大小进行了试验验证,实测的最大脱出力值与计算值基本吻合,发现计算得到的脱出力-位移曲线上对应最大脱出力的位移值与试验机上的实测值之间存在滞后误差,分析了误差产生原因。     

指尖封严磨损特性及其对泄漏影响的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合的指尖封严的磨损特性及其对泄漏的影响进行了试验研究,分析了不同配合状态下封严件与转子的磨损现象、磨损长度以及封严泄漏系数的分布.试验结果表明:封严磨损随封严与转子相对滑动距离增大而增加;间隙配合状态下,封严出现局部磨损,磨损及其对泄漏的影响主要发生试验初始阶段;过盈配合时,封严件整体均出现磨损,且磨损发生在整个试验阶段,磨损对泄漏的影响在初始阶段较大、之后逐渐减小;封严的间隙越小(过盈量越大),磨损对泄漏影响越大.