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。     

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.      

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。     

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...     

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.      

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.     

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.      

指式密封泄漏特性的实验研究

设计了三组不同间隙的实验件,研究了基本结构指式密封从初始使用到稳定后的泄漏特性.结果表明:指式密封在初始使用时泄漏量较大,而且迟滞较为明显;随着使用时间的增长,密封性能趋于稳定,稳定后"指"之间的间隙对泄漏系数影响比较大;随着压差的增大,泄漏系数先是增加,后趋于定值;在实验转速范围内(<3 000 r/min),转子转速对指式密封泄漏系数影响不大;密封泄漏系数随密封层数的增加而减少.      

周向弹簧力分布对圆周密封装置密封性能的影响

为了研究周向弹簧力分布形式对密封装置密封性能的影响,针对周向弹簧建立力学模型,分析周向弹簧力不均匀分布形式产生的原因,并对其不均匀分布的临界范围进行预测分析,建立泄漏预测模型对密封结构的密封性能进行研究。首先对密封装置主要结构进行受力分析,研究周向弹簧不均匀加载对密封结构变形的影响,再结合ANSYS软件对圆周密封装置主要部件进行结构-热耦合仿真计算,进而通过仿真分析验证理论分析的合理性。仿真结果表明：不均匀周向弹簧力产生的附加力矩使得密封环翘曲变形,主密封面径向接触间隙最大位置出现在密封环的接头区域;相比弹簧力分布均匀条件,当弹簧力分布形式的不均匀程度处于临界范围内时,接触间隙增加了24.52%,气体泄漏量增加了7.99%;当弹簧力分布形式的不均匀程度处于临界范围外时,接触间隙值呈倍数增加,气体泄漏量增加一个数量级。综上,周向弹簧力不均匀分布导致主密封面接触间隙值增加、密封结构气体泄漏量增加、密封装置密封性能下降。周向弹簧力的不均匀分布对密封装置的密封性能有较为严重的影响,在实际工程应用中应尽可能保证周向弹簧的不均匀分布程度处于临界范围内,避免由于弹簧卡滞使得密封结构密封性能下降。     

基于等效模型的流体动压指尖密封动力学及泄漏量分析

 流体动压指尖密封系统因其结构和工况条件的复杂,无法完整描述其动力学特性和泄漏性能。针对这一情况,通过有限元仿真试验,分析流体动压指尖密封系统动力学参数与指尖密封结构工况参数之间的关系,在此基础上建立等效流体动压指尖密封系统弹簧-质量-阻尼的双自由度动力学模型,实现流体动压指尖密封的动力学和泄漏性能分析。研究结果表明,只要合理选择结构和工况参数,就可以获得具有良好动力学和泄漏性能的流体动压指尖密封系统。所提出的等效动力学模型为以后进一步研究流体动压指尖密封这一复杂系统提供了有价值的思路和条件。通过与国外数据的对比,证明该等效动力学模型的可靠性和提出该模型的必要性。     

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.      

金属封严环泄漏率预测方法

针对金属封严环设计中泄漏率估算问题,综合对密封系统宏观结构和微观表面接触变形的考量,提出一种基于数值计算的泄漏率预测方法。对密封整体结构进行计算,以计算值（接触应力、接触面积）为输入参数,以表面粗糙度为评价指标建立微观粗糙表面,使用有限元法（FEM）进行接触计算后建立泄漏通道模型,在对泄漏缝隙内流体流动特性确定后通过计算流体力学（CFD）方法计算得到泄漏率。使用密封试验台进行泄漏率试验,将计算值与试验结果相比较。研究表明:随着接触应力增加、表面粗糙度值降低以及内外腔压差增长,密封系统泄漏率逐渐减小;所提出的方法极大地摆脱了泄漏率获取对于试验仪器的依赖性,并能够较为有效地预测金属密封结构的泄漏率,对先进的金属封严环的设计和评估具有重要意义。      

W型封严环表面粗糙度对间隙泄漏流动的影响

金属封严环密封结构的泄漏是影响发动机金属封严环间隙泄漏通道内气体流动的因素之一。本文采用有限元分析软件建立不同表面粗糙度下的泄漏通道模型;采用CFD 技术对不同结构的间隙内流体流动进行数值模拟,研究表面粗糙度对泄漏流动的影响;计算封严环的泄漏率,通过密封试验验证计算结果的正确性。结果表明：气体在泄漏通道内受到表面粗糙度的影响,靠近粗糙壁面处产生明显的回流现象,降低了通道内流体的泄漏流速;在接触应力不变的条件下,密封间隙的泄漏量随表面粗糙度的增大而增大,提高封严环的加工精度能够降低表面粗糙度从而增强其密封性能。     

二元外压式进气道侧板对流场影响

为研究二元外压式进气道侧板对流场影响,采用FLUENT软件计算了有、无侧板两种方案进气道三维流场,通过对比可知安装侧板的进气道性能显著高于不安装侧板进气道性能.在此基础上,计算了有侧板进气道在来流马赫数为2.0～3.0之间的性能特性,与进气道二维流场计算结果相比,进气道三维流场中压缩气体越过侧板溢流使进气道性能下降.通过分析不同来流马赫数下溢流流动,得出了侧板溢流对进气道流场影响规律.      

叶尖间隙泄漏对厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响

针对某微型涡轮发动机(MTE)原理样机的直径为78.4mm的微型轴流涡轮,采用数值模拟手段研究了叶尖间隙泄漏对该厘米级高亚声微型轴流涡轮流场结构及涡轮性能的影响.结果表明:微型轴流涡轮相对叶尖间隙尺寸在3.1%~4.6%,明显高于常规轴流涡轮;微型轴流涡轮叶尖间隙泄漏涡影响范围较常规轴流涡轮扩大(至叶中高度),泄漏损失占涡轮级总损失的35%,也较常规轴流涡轮明显增大.研究获得了间隙尺寸对该厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响规律,叶尖相对间隙尺寸每增加1%叶高,效率最快下降1.9%,其变化幅度较常规轴流涡轮更为明显.最后,根据工程安装的限制(离心力变形及热变形、轴承游隙、加工装配误差等),确定了一个较优的叶尖间隙(0.4mm),通过数值模拟获得了在该间隙下的涡轮性能参数:落压比为2.12,效率为0.87,流量为0.35kg/s.      

动叶顶部蜂窝面迷宫密封对涡轮级气动性能的影响

采用计算流体动力学软件数值研究了某1.5级轴流涡轮转子叶尖蜂窝面迷宫密封泄漏流动对主流流场的影响,分析了不同的顶部间隙下叶尖密封泄漏流对主流流场的影响以及泄漏流与主流的掺混对下游静叶流场的影响,并对带与不带蜂窝面的迷宫密封对涡轮级气动性能的影响进行了比较.研究结果表明:泄漏流与主流在动叶下游掺混后导致掺混区域流体速度发生偏转,以负攻角进入下游静叶,带来攻角损失.泄漏流体带有较高的径向速度,在静叶栅通道中会向中间叶展处发展,使得静叶栅上半通道的流场结构发生改变,带来额外的二次流损失.并且随着叶顶间隙的增大,损失也随之增大.蜂窝的特殊六边形结构极大地降低了密封腔中流体的周向速度,减小了泄漏流重新进入主流时与主流的速度差异,从而减小了掺混损失.并且蜂窝结构能改变迷宫腔内气体的流动形态,采用蜂窝面的迷宫密封能有效地降低泄漏.      

移动端壁对压气机叶栅中叶尖泄漏流动的影响

对一压气机平面叶栅进行全三维数值模拟,分别对两种不同叶尖间隙情况下,移动端壁对叶栅性能及泄漏流流动结构的影响进行分析。详细对比了不同条件下,叶栅损失,泄漏涡传播轨迹及影响范围,泄漏流量等参数的变化,同时通过三维流线结构的对比,对泄漏流在间隙中的流动特点及其在通道中与主流的相互作用进行分析。结果表明:移动端壁加入使泄漏流量增加,泄漏涡传播轨迹向远离吸力面,靠近端壁的方向偏移,削弱通道流与泄漏流之间的剪切作用,改变通道中的各个二次流动结构所占比例。间隙较小时,移动端壁的影响主要集中在端壁附近,而间隙较大时,移动端壁能够抑制叶顶分离涡,从而影响整个间隙中泄漏流的速度分布,进一步削弱通道流与泄漏流动之间的剪切作用。      

波转子非定常泄漏流动机理

针对制约波转子性能的泄漏问题,通过提取波转子中与泄漏相关的主要流动现象并建立波转子单通道泄漏模型,对非定常泄漏流动机制进行了详细的数值研究,对本文给出的非定常泄漏损失预测模型进行了数值验证。结果表明:转子通道中存在不同程度的压力波动,波动幅值与间隙宽度有关;连续反射膨胀波、周期性出现的弓形激波及其反射激波是压力波动的根本原因;间隙内部泄漏过程存在3个主要的流动阶段;泄漏过程中通道激波传播速度不变、波后时均压力不变;在一定间隙宽度范围内,激波马赫数、激波静增压比与无量纲间隙宽度均呈线性关系,当间隙宽度从0增大到0.08时,激波马赫数衰减7.3%,激波静增压比衰减10.1%;泄漏流动通过泄漏产生的主膨胀波对激波传播过程施加影响,通道激波衰减本质上是理想激波与主膨胀波叠加效应的结果;泄漏损失预测模型与数值结果吻合良好。     

端壁抽吸对压气机叶栅间隙泄漏流控制策略的研究

为了研究压气机机匣端壁抽吸对间隙泄漏流动控制的可行性和有效性,以高负荷压气机叶栅为研究对象,通过数值模拟方法对不同抽吸位置和抽吸流量率控制参数下的计算工况进行了对比和分析。研究结果表明:端壁抽吸可以直接地影响叶尖泄漏流的结构形态和存在形式,减弱叶尖泄漏流的强度和影响范围,进而提升压气机叶栅的性能;当抽吸槽覆盖范围包含叶尖泄漏流形成位置及稍靠后附近区域时,所对应的抽吸方案具有较好的控制效果,在0°攻角和0.5%的抽吸流量条件下前槽抽吸和中槽抽吸分别可获得7.04%和7.76%的叶栅总压损失增益;并且进一步研究发现端壁抽吸流量率存在上临界值,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对间隙泄漏流的控制。