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。     

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....     

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.      

基于流固耦合的刷式密封泄漏特性理论与实验

理论与实验两方面研究了刷式密封泄漏流动特性及影响因素。建立了考虑刷丝变形的刷式密封泄漏流动特性流固耦合理论模型,实验研究了刷式密封泄漏量随进出口压比和转速等的变化规律,并与理论求解模型对比验证。在此基础上,运用理论模型分析了不同结构参数对密封泄漏量的影响规律,验证了构造的刷式密封泄漏量理论计算公式的准确性。研究结果表明:径向间隙一定时,刷式密封泄漏量随压比的增大而近似线性增加,转速对刷式密封的泄漏量影响不大;刷丝直径和刷丝间隙通过影响气体在刷丝束区域有效流通面积来影响泄漏量,有效流通面积越小,泄漏量越小;反之,则越大;随着刷丝直径、刷丝轴向排数的增大,刷式密封泄漏量逐渐降低;随着刷丝间隙的增大,泄漏量逐渐增大;随着后挡板保护高度、刷丝与后挡板轴向间隙的增大,泄漏量先显著增大后缓慢增加,最后趋于稳定;所构造的泄漏量理论公式可以准确预测刷式密封的泄漏量,为刷式密封结构优化设计提供理论依据。      

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。     

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

刷式密封吹下效应诱发机理流固耦合数值研究

分析了刷式密封吹下效应理论模型,建立基于arbitrary Lagrange-Euler(ALE)流固耦合方法的刷式密封吹下效应三维瞬态数值模型,在验证数值模型准确性的基础上,分别研究了刷丝轴向、径向和截面变形特性,量化分析了刷丝径向吹下量,揭示了刷式密封吹下效应诱发机理.研究表明:刷式密封吹下效应会减小刷丝径向间隙,...     

刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性影响数值与实验研究

采用有限元分析与计算流体力学相结合的方法,建立了考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏流动特性求解模型,设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦磨损特性实验装置,实验研究了刷丝与转子间正压力特性,在实验验证数值计算准确性的基础上,研究了刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。研究结果表明:从刷丝束上游到下游,刷丝与转子间正压力和刷丝磨损长度均先减小后增大;刷丝磨损长度随干涉量、刷丝直径的增加而增大,随压比、刷丝长度的增加而减小。考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏量随压比、干涉量、刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度的增加而减小。提出泄漏量变化率表征刷丝磨损对刷式密封泄漏特性的影响程度,泄漏量变化率随刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度和压比的增加而减小;在压比为2.5的工况下,当刷丝直径从0.09 mm增至0.11 mm时,泄漏量变化率从9.53%增至19.18%;当刷丝长度从15.556 mm增至17.556 mm时,泄漏量变化率从13.47%降至5.38%。增加刷丝长度并减小刷丝直径可以降低刷丝磨损对刷式密封封严性能的影响。      

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0.34 mm。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。     

减压腔宽度对刷式密封泄漏特性和滞后效应的影响

对减压腔轴向宽度分别为0、04 mm和06 mm的基本型和两种低滞后刷式密封结构进行了静态和动态下压差升降和转子转速升降循环试验,并对其泄漏特性和滞后效应进行了研究。研究结果表明:压差大于02 MPa后,同一压差下的动态泄漏系数比静态降低约14%~20%;低滞后结构的密封性能优于基本型,其泄漏系数最高比基本型降低约20%;静态压差升降循环中,减压腔轴向宽度为06 mm的低滞后结构的滞后效应最强;动态的压差升降循环中,基本型结构的滞后效应最强。转子转速升降循环前后,w为06 mm结构泄漏系数减小约15%,滞后效应最强,减压腔轴向宽度为04 mm结构几乎不存在滞后效应;三种结构中,减压腔轴向宽度为04 mm的结构密封性能最优,滞后效应也最弱。     

阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究

密封动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大,在密封入口端部设置阻旋栅是提高密封稳定性的有效方法。设计加工了无/有阻旋栅共5种密封结构,从数值分析与实验研究两个方面研究阻旋栅对密封静力与动力特性的影响规律。建立阻旋栅密封静力特性CFD理论模型,数值分析阻旋栅对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;应用不平衡同频激励法实验研究阻旋栅对密封动力特性的影响。研究结果表明:阻旋栅可降低密封的泄漏量,减小密封内流体的切向速度,进而降低密封内流体的周向压力差,且随着阻旋栅周向稠度与径向长度的增加,这种作用逐渐增大,这是阻旋栅抑制气流激振力的主要原因;预旋是密封产生交叉刚度的重要因素,密封的交叉刚度随进出口压比与转速的增加而增大;阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度,增加密封的主阻尼,提高密封的稳定性。本文研究揭示了阻旋栅抑制密封气流激振力的机理,为设计阻旋栅密封提供理论依据。     

直通篦齿封严结构压损规律和临界特性的研究

采用数值分析和实验相结合的方法,研究了直通篦齿封严结构齿间压力分布规律和临界特性.结果表明:采用重整化群k-ω湍流模型,计算与实验吻合较好;篦齿前后腔压比达到临界压比时,最后一级篦齿齿尖处流动达到堵塞状态,进一步增加压比,临界截面向来流方向移动,且实际流通面积增加,进而泄漏量增加;沿流动方向各齿造成的压力损失相同,齿间压力线性下降,齿间压力与进口总压比值曲线斜率的大小与进口总压有关.      

双U形管束换热器压降和热效率模型实验

在低速风洞上实验研究了双U形管束换热器压降特性以及热效率,着重对比了U形管截面形状和换热器安装角的影响.结果表明:在相同的U形管管内平均速度下,椭圆管换热器的管内压降高于圆管换热器,在较高的管内平均速度下两者的差异更为明显;对于外部流动,换热器安装角增大所诱导的外部流动压降显著增加,在较小的换热器安装角下,椭圆管换热器的管外压降略大于圆管换热器,而在较大的换热器安装角下,椭圆管换热器的管外压降则显著低于圆管换热器;安装角为30°的换热器传热系数较安装角为10°时可以提高约50%,在密流比为0.4时,椭圆管换热器的热效率相对于圆管换热器约有6%的增加.