各级差异化多级刷式密封级间压降均衡性数值与实验研究

分析多级刷式密封级间压降分配特性理论,提出新型各级差异化多级刷式密封结构,基于流固耦合方法建立新型多级刷式密封三维实体计算模型,设计搭建新型多级刷式密封泄漏流动特性实验装置,数值与实验研究在不同工况条件下,结构参数对新型结构多级刷式密封级间压降均衡性和泄漏特性的影响规律。研究结果表明:传统结构多级刷式密封各级级间压降占比均衡性标准差为8.41,新型结构各级级间压降占比均衡性标准差最大为4.69,最小为2.07。相较传统各级相同结构,增大下游级有效流通面积的新型各级差异化多级刷式密封可有效改善级间压降的不均衡性。提高后挡板保护高度使得新型结构各级级间压降占比均衡性标准差最小,各级级间压降占比较接近,可明显改善新型结构多级刷式密封级间压降均衡性。减少刷丝束厚度和增大刷丝束与转子面间隙使新型结构多级刷式密封的泄漏量增大明显。      

多级刷式密封级间流动传热特性数值与实验研究

理论分析了多级刷式密封级间流动传热特性,设计加工了提高后挡板高度、减少刷丝束厚度两种各级差异化结构多级刷式密封实验件,在高温静态、常温动态及高温动态工况下,实验研究了其泄漏特性、级间温度分布特性。建立了三维实体多级刷式密封流动传热特性求解模型,数值与实验对比验证,研究了工况参数对两种各级差异化结构及各级相同结构多级刷式密封级间流动传热特性的影响规律。研究表明：提高后挡板高度与减少刷丝束厚度两种各级差异化结构多级刷式密封,各级间温度在高温静态与高温动态工况下随上下游压差的升高而增大,在常温动态工况下随上下游压差的升高而减小,高温动态工况下各级间温度整体上大于高温静态工况,泄漏量整体上小于高温静态工况。3种结构多级刷式密封第二级间温度均高于第一级间温度,各级相同结构各级间温度最高,减少刷丝束厚度结构最低,各级相同结构末级刷丝束上下游压差最大,压降分配均衡性最差。提高后挡板高度结构泄漏量最高,减少刷丝束厚度结构次之,各级相同结构最低。     

基于CFD和神经网络的2级刷式密封结构泄漏和级间不平衡性分析

为了提高航空发动机刷式密封结构仿真的时效性与适用性,通过CFD计算获得了20个2级刷式密封结构的泄漏量和级间压比训练样本,对设计的神经网络进行训练和数据泛化预测,获得50组上下游刷丝排数和保护间隙组合下的泄漏率、级间不平衡性数据,并讨论了三者的影响及刷丝排数和保护间隙之间的耦合作用。结果表明：7次即可完成神经网络的训练。通过预测数据发现,仅下游参数变化时,随着刷丝排数的增加,保护间隙对级间压比的影响减小,随着保护间隙的减小,刷丝排数对泄漏率的影响也减小;而仅上游参数变化时,参数对级间压比的耦合性不明显。通过泛化数据进行参数优选,泄漏率可达30.688 N·m3/h,基本消除级间不平衡,且密封性能较好。所建立的神经网络适用于预测具有明显耦合性的2级刷式密封结构流动特性。     

基于三维实体建模的刷式密封传热机理数值研究

建立了基于三维实体建模的刷式密封传热特性求解模型,在验证数值模型准确性的基础上,分析了刷式密封流场与温度场分布特性,研究了压比、转速、干涉量和热流密度对刷丝最高温度的影响,揭示了刷式密封的传热机理。结果表明:高温区主要集中在末排刷丝与转子面接触位置,刷丝的最高温度随着压比、转速、干涉量和热流密度增加而增大,其中干涉量对刷丝最高温度的影响最为明显。当干涉量从0.1 mm增至0.7 mm时,刷丝的最高温度上升1.61倍;刷式密封热量的主要来源为刷丝与转子表面摩擦产生的热量,其传热形式包括导热和对流换热,摩擦热量通过导热形式进入刷丝和转子,当刷丝与转子之间的接触力增加时,摩擦热量增大,刷丝的最高温度升高,摩擦热量通过对流换热形式在流体和固体之间进行传递,热量散失主要形式为泄漏气流带走部分热量。      

刷式密封摩擦热效应数值与实验研究

刷式密封刷丝与转子表面高速接触摩擦产生的摩擦热效应直接影响刷式密封封严性能和使用寿命。基于刷丝-转子系统热固耦合方法建立了刷式密封摩擦热效应数值求解模型,设计搭建了刷式密封摩擦热效应实验装置,应用热成像仪实验研究了刷丝温度分布特性,在实验验证刷丝-转子系统热固耦合数值求解模型准确性基础上,研究了转速、干涉量、刷丝安装角、摩擦时长、刷丝束厚度、后挡板长度对刷式密封摩擦热效应的影响。研究结果表明：刷式密封刷丝温度数值计算与实验测量平均误差为8.9%,建立的刷丝-转子系统热固耦合模型具有较高准确性。实验研究得出刷式密封最高温度随刷丝束厚度增大逐渐增大;刷丝束最高温度随着后挡板长度减小而逐渐降低;最高温度随干涉量的增大逐渐增大,0.4 mm相较于0.3 mm干涉量最高温度升高了59.0℃,随着摩擦时长增大,刷丝与转子磨损量减小,温度逐渐下降。数值计算得出刷丝束应力最大值出现在刷丝固定端,接触变形最大值出现在中排刷丝尖端,最大温度值出现在刷丝自由端。刷式密封最高温度随着刷丝安装角的增大而降低;最高温度随着转速的上升逐渐增大,2 000 r/min转速相对于600 r/min转速最高温度提高了4....     

改进型后挡板开孔刷式密封滞后效应与吹下效应数值研究

提出改进型后挡板开孔刷式密封结构,建立改进型后挡板开孔刷式密封流场特性三维实体求解模型。对比分析传统刷式密封与改进型刷式密封流场压力分布特性,研究结构参数与工况参数对改进型刷式密封滞后效应与吹下效应影响规律。研究结果表明：后挡板开孔刷式密封结构可以有效抑制滞后效应与吹下效应。增加后挡板开孔排数与直径均可提高对滞后效应与吹下效应的抑制作用,随着进出口压比增加,后挡板开孔刷式密封对滞后效应抑制作用提升,对吹下效应抑制作用下降。在压比为1.5～3.0范围内,改型结构的稳态泄漏量相比压力平衡腔型刷式密封增加11.2%～15.4%,相比减压腔型刷式密封减少58.3%～66.7%,保留了与减压腔型刷式密封相近的迟滞性能,并提升了封严性能。在后挡板设置三排沿径向周向均布的降压孔阵列,相比基本型刷式密封,刷丝束下游面无量纲压力系数减少85.0%～88.9%,刷丝束下游面与后挡板接触位置压力显著降低,刷丝束上/下端面无量纲压力系数差值减少75.0%～96.7%,刷丝束内部径向压差明显减少,抑制滞后效应与吹下效应效果明显。     

刷式密封刷丝浮升效应流固耦合数值研究

基于简化悬臂梁模型分析了刷式密封刷丝浮升效应理论,采用ALE(arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法建立了刷式密封刷丝浮升效应三维瞬态数值求解模型,在验证了数值模型准确性基础上,研究了刷丝总体变形特性,量化分析了刷丝自由端轴向、径向和总体变形量,研究了结构参数与工况参数对刷式密封刷丝浮升效应的影响规律,揭示了刷式密封刷丝浮升效应诱发机理.研究结果表明:刷式密封刷丝浮升效应是前排刷丝受非定常径向气流作用产生的刷丝扰动现象,刷丝浮升效应会使前排刷丝向来流方向发生较大变形,并使前排刷丝与转子面产生径向间隙,泄漏量增加.当进出口压比从2提高至4,刷丝自由端平均变形量增加了 47％,将前挡板保护高度从1.5 mm提高至2.5 mm,刷丝自由端平均变形量增加了 36％,均使刷丝浮升效应增强.刷式密封前挡板与刷丝束间隙提供的径向气流通道,进出口压差在前挡板与刷丝束间隙内产生的径向压力梯度是刷丝浮升效应的诱发条件,提高刷丝直径和降低前挡板与刷丝束间隙均可降低刷丝浮升效应.     

刷式密封临界承压能力流固耦合数值研究

采用以泄漏因子与有效间隙作为刷式密封临界承压能力的评价指标,基于ALE(arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法建立刷式密封三维瞬态求解模型,分析三种不同结构的刷式密封模型在不同压差下的刷丝变形,研究临界承压能力对刷丝变形的影响。研究结果表明：随着上下游压差的增加,泄漏因子与有效间隙的值趋于稳定时的压差范围即为刷式密封的临界承压能力。所研究的基本型刷式密封临界承压能力为0.25～0.30 MPa,后挡板保护高度降低0.5 mm的刷式密封和轴向增加5排刷丝的刷式密封临界承压能力相对于基本型增加了16.7%～20.0%,降低后挡板保护高度和增加刷丝轴向排数可以提高刷式密封临界承压能力。随着上下游压差的增加,刷丝轴向最大变形量先增加,在上下游压差达到刷式密封临界承压能力时,刷丝之间间隙被压缩至接近最小,刷丝轴向最大变形量达到稳定。该研究成果为刷式密封的结构设计提供理论依据。     

基于能量法的刷式密封刷丝颤振流固耦合研究

为了研究刷式密封刷丝颤振特性,采用能量法及双向流固耦合与动网格技术,建立了刷式密封刷丝颤振特性瞬态流固耦合求解模型,将数值模型结果与理论模型和实验结果分别进行验证;在此基础上,从非定常气动力做功角度分析刷丝的变形规律,研究了刷式密封结构参数对刷丝颤振特性的影响。结果表明:非定常气动力做功与刷丝变形运动随时间均呈振荡变化趋势;后挡板保护高度从2.1~3.6mm,刷丝长度从4.0~5.5mm以及刷丝直径从0.13~0.19mm非定常气动力做功减少,有利于抑制颤振的发生;刷丝间隙及刷丝束与后挡板轴向间隙的变化对刷丝颤振影响不大。     

考虑刷丝变形的刷式密封流场特性与力学特性流固耦合研究

应用双向流固耦合与动网格技术,建立了考虑刷丝变形的刷式密封流场与力学特性双向流固耦合瞬态三维求解模型.首先应用悬臂梁理论建立了刷丝的力学理论模型,将该流固耦合方法计算结果分别与理论模型和实验结果相互验证,在此基础上,分析了刷式密封的流场特性、刷丝的变形规律与应力特性以及刷式密封的滞后特性.研究结果表明:刷丝在气流力作用下会产生摆振运动,刷丝根部所受的应力也随着刷丝摆振运动而呈振荡变化;刷丝变形增大了刷丝与转子面间隙导致密封泄漏量增大,随着刷丝排数的增加,泄漏量先迅速下降,然后下降速度趋缓,最后趋于稳定;刷式密封随着末排刷丝与后挡板轴向间隙的增大,后挡板处相对压力系数逐渐降低,增加末排刷丝与后挡板的轴向间隙可有效降低滞后效应.      

高速涡轮发动机压缩部件低雷诺数影响研究

为了分析马赫数3.0量级高速涡轮发动机在高空22.5 km范围内,雷诺数变化对多级压气机气动性能的影响,采用Wassell特性修正与经验曲线拟合的方法,评估了低雷诺数条件压气机工作点效率、压比、流量的变化。利用S1计算程序分析了低雷诺数条件下基元叶型的流动特征,探讨了减小雷诺数影响的叶型设计规律。通过加入转捩模型的3维仿真模拟了地面和高空典型工况的气动特性,分析了低雷诺数对多级压气机稳定性的影响。结果表明：压气机在高空18.5 km和22.5 km喘振裕度相比地面条件下分别减小了5.61%和8.12%。综合对比仿真法和经验法对多级压气机性能预测结果,认为仿真法考虑了多效压气机在低雷诺数条件下级间匹配变化的影响,更适用于对压气机高空全转速特性的预测。     

直升机旋翼防除冰集流环设计

介绍了直升机旋翼防除冰用集流环的结构和工作原理,从电刷和导电环的选择、电刷压力的计算和弹簧的设计三个方面对集流环的设计方法进行了详细说明,并通过试验验证其合理性。所论述的集流环设计方法为直升机旋翼防除冰用集流环设计提供参考。     

发动机缸内滚流运动的稳流实验与三维数值模拟

采用变压差法的涡流动量计式实验台和Ricardo评价方法,对四气门发动机缸内滚流运动以及气道流通系数进行了实验研究;并且根据气道稳流实验的状态与环境参数,采用RNG k-ε湍流模型、混合网格、有限体积法以及SIMPLE算法,建立了与之相对应的三维数值模拟分析模型,得到了气道内部与缸内流场更为详尽的数据信息.结果表明,实验气道可以在缸内产生滚流,但也存在局部的缺陷;数值模拟与稳流实验的结果吻合良好,模拟分析模型具有较高的准确性和实用价值.     

刷式密封温度场数值研究

分析了刷式密封中摩擦生热和热传递的机理,在此基础上将刷丝区域视为各向异性多孔介质、用阻抗力表示刷丝对流体的阻碍作用、以摩擦热为热源建立了计算流体动力学(CFD)模型;得到了刷式密封区域的压力、速度以及温度场分布;并得出了密封区域最高温度和安装过盈量、密封压差的对应关系.结果表明刷丝与转子接触面上存在显著温升,温度场在径向呈阶梯状分布且温度值沿转子外法线方向衰减;密封区域流体对流和出口泄漏流对于温度分布影响较大.计算结果能为刷式密封结构设计、接触副材料选择和密封环安装方式提供参考和指导.      

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0.34mm。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。     

二冲程发动机分缸不均匀性分析

针对两缸二冲程航空发动机缸间不均匀性问题,运用试验、仿真相结合的方法分析引起缸间不均匀性原因,建立发动机GT-Power一维仿真模型,通过缸压信号对发动机不同工况分缸不均匀性进行仿真分析,并进行发动机台架试验,对比分析不同工况发动机两缸缸压和空燃比。结果表明:引起缸间不均匀性的原因是缸间进气和喷油的差异,小负荷主要影响因素为喷油差异,部分负荷主要影响因素为缸间进气差异,且随节气门开度的增大差异减小,为发动机均匀性控制的软硬件实现提供理论依据。      

超声速短化喷管的设计与实验研究

为了进一步探索三维超声速流道的设计方法,采用一种预设壁面压力分布计算壁面型线的思想,并结合双特征线方法提出一种全三维超声速流动压力反问题的求解方法。在三维超声速流场设计中,可直接根据来流条件和壁面压力分布求解壁面的三维坐标,通过空间步进的方式,使得解在一系列解平面上推进,从而使得所设计的型面与预设的壁面压力分布相容。通过Prandtl-Meyer膨胀波的理论解验证了该格式的设计精度。根据预设的压力分布,设计了圆形和椭圆形入口的三维超声速喷管,并将设计方法与数值模拟进行对比验证。验证结果表明：所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,因此基于双特征线的压力反问题求解方法具备三维超声速气动设计的能力,并具有纯三维、高精度、壁面压力分布可控的优势,对未来高超声速气动设计应用将起到重要的支撑作用。