篦齿封严装置减振方法研究及减振装置设计

本文研究了用于篦齿封严装置的干摩擦式阻尼减振器的减振原理,采用篦齿封严装置气弹稳定性分析方法,分别研究了用于篦齿封严装置的阻尼环和阻尼套筒的减振效果,并在此基础上提出了阻尼减振器的工程设计方法。研究表明,干摩擦式阻尼减振器可以有效地提高篦齿封严装置的气动弹性稳定性。     

篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

航空发动机转子篦齿封严诱导的气流激振力分析

为了解航空发动机直通型篦齿封严诱导的鼓筒表面气流激振状态以及不同参数对其的影响,对航空发动机直通型篦齿封严诱导的气流激振力进行研究,对转子无偏心和有偏心两种情况进行数值仿真计算。定性分析不同偏心量、不同进动频率比对气动力的影响;利用数值计算结果确定篦齿封严诱发的气流激振力大小;根据不同进动频率下的静压分布可以进一步导出气动阻尼、气动刚度参数,得到篦齿封严转子的气动载荷边界条件。结果表明:无偏心时篦齿封严腔内的流动非定常性不明显,气流激振对篦齿封严转子的影响可基本忽略;转子存在偏心时流体腔内流动具有非定常特征,气流激振力将驱动转子进动运动;不同偏心量的静压值比无偏心量时最大可增长7%,静压幅值波动值随进动频率比增大而增大,最大可比进动频率比为0时增长达84%,对转子的动力学稳定性有一定影响。     

用于篦齿封严装置的阻尼套筒减振性能研究

在篦齿封严装置减振的开口阻尼环设计方法的基础上,对比研究了阻尼套筒的设计方法.采用动柔度法求解了安装有阻尼套筒的篦齿封严装置的动力响应.分析了阻尼套筒结构尺寸(厚度、接触面积)和安装过盈量等参数对篦齿封严装置动力响应的影响规律;在篦齿封严装置和阻尼套筒的组合结构中,存在最佳的阻尼套筒结构参数,此时阻尼套筒减振效果最佳;对组合结构不同的周波型振动,阻尼套筒的减振效果不同.      

带阻尼套简篦齿封严装置的动力响应和减振规律研究

为有效解决篦齿封严装置在设计和使用中出现的振动过大的问题,提出了带阻尼套筒篦齿封严装置的动力响应分析方法,并对篦齿封严装置转子件在摩擦片不同分布位置时的动力响应进行了计算分析,得到了减振效果随摩擦片不同分布位置的变化规律。     

某实际发动机篦齿封严装置振动特性和稳定性分析

篦齿式封严装置是一种非常有效的非接触密封装置,在航空燃气涡轮发动机等叶轮机械中得到广泛应用。随着航空发动机性能的提高,篦齿封严装置的振动故障问题愈发突出,颤振、声固耦合及振型协调等振动故障发生的可能性越来越大。本文针对某实际航空发动机的篦齿封严装置,对其进行了振动特性和气弹稳定性分析,有较强的工程实际意义。      

基于能量法的篦齿封严环气弹稳定性数值研究

针对航空发动机篦齿封严环气弹稳定性问题,采用基于三维插值及非定常动网格技术的能量法,建立了篦齿封严环气弹稳定性数值求解模型。在验证数值方法准确性的基础上,研究了供气压力、转速和进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性的影响,分析了篦齿封严环气动力、气动功分布特性,揭示了进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性的影响机理。研究表明：在本文研究中,外篦齿封严环相对于内篦齿封严环更易发生气弹失稳;随供气压力增加,外篦齿封严环气弹稳定性呈现降低趋势,当供气压力为0.55 MPa和0.7 MPa时,外篦齿封严环存在气弹失稳的风险;转速2 000 r/min和4 000 r/min相对于6 000 r/min具有更大的气弹失稳风险。相比于360°圆周进气,90°圆周进气的外篦齿封严环气动力存在相互抵消的耦合作用,所以90°圆周进气的外篦齿封严环具有较高的气弹稳定性。篦齿封严环在发生气弹失稳时,齿腔底部做功占总气动功百分比会显著增加,故在进行结构优化时,可改变齿腔底部的结构参数以对篦齿封严环气弹稳定性进行改善。     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明：蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下（封严间隙大于0.5 mm）,蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动（频率大于120 Hz）时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。     

刷密封的静动态泄漏特性

对10件密封名义直径为174mm的刷密封在试验器上进行了一系列静、动态泄漏特性试验。试验结果表明,刷密封具有优异的密封性能,其静、动态泄漏率小于精确设计的5齿0.25mm间隙的篦齿封严的1/3,是4齿0.5mm间隙的篦齿封严的1/10。在发动机内流系统中以刷密封替代蓖齿封严可使发动机性能有显著提高。     

带有阻尼环(套)的篦齿封严装置固有特性的理论及实验

以带有开口阻尼环(套)的篦齿封严装置为研究对象, 运用弹性力学、材料力学和接触力学的有关理论研究了阻尼环(套)与封严装置之间的接触压力和接触刚度的求解方法.在此基础上, 根据结构系统动力学理论建立了封严装置/阻尼环(套)组合结构的等效线性系统模型, 并通过模态实验验证了理论模型的正确性.研究了阻尼环的安装位置和阻尼套厚度、宽度、开口量等参数对组合结构固有特性的影响规律.阻尼环在不同的安装位置时对封严装置固有特性的影响较小.阻尼套对封严装置固有特性的影响包括附加质量和附加刚度两方面, 当封严装置结构一定时, 组合结构的固有频率与封严装置自身频率的差异大小取决于阻尼套附加质量和附加刚度的相对比较.由于阻尼环(套)开口较小, 并且它的刚性远低于封严装置的刚性, 组合结构仍大致以周波型振动为主.      

Leakage performance of floating ring seal in cold/hot state for aero-engine

Rotating experimental investigations were carried out to study the oil sealing capability of two different floating ring seals in cold/hot state for aero-engine. High-speed Floating Ring Seal(HFRS) is a seal with the inner diameter of 83.72 mm and maximum speed of 38000 r/min, and Low-speed Floating Ring Seal(LFRS) is another seal with the inner diameter of 40.01 mm and maximum speed of 18000 r/min. In hot state, sealing air with the temperature of 371 K and oil with the temperature of 343 K was employed to model the working conditions of an aero-engine. Comparisons between floating ring seal and labyrinth seal were done to inspect the leakage performance.More attention was paid to the critical pressure ratio where the oil leakage began. Results show that the critical pressure ratio in cold state is obviously larger than that in hot state for both seals. An underlying sealing mechanism for floating ring seal is clarified by the fluid film, which closely associates with the dimensionless parameter of clearance over rotating diameter(2 c/Dr). Another fantastic phenomenon is that the leakage coefficient in hot state, not the leakage magnitude, is unexpectedly larger than that in cold state. Overall, the leakage performance of the floating ring seal is better than the labyrinth seal.     

直通式封严篦齿内部流动和换热的实验研究

为了研究外界因素对高推动比航空发动机中密封装置性能的影响,介绍了在吸气式内流传热风洞实验台测量了不同雷诺数和不同齿顶厚和齿隙比的工况下对篦齿腔内部流动的影响规律, 并利用该实验台对篦齿顶板表面的换热特性进行了研究． 测量结果说明了在篦齿腔中旋涡的分布及雷诺数变化对旋涡分布的影响．并得出了在不同雷诺数和Ｔ／Ｃ工况下对篦齿顶板表面换热特性的影响     

台阶篦齿与衬套轴向位置和转速对封严特性影响的实验

设计了上台阶和下台阶篦齿两组实验模型,研究了旋转和静止两种状态下篦齿进出口压比、篦齿与衬套轴向相对位置以及转速对封严特性的影响.结果表明:齿型结构尺寸相同时,上台阶篦齿和下台阶篦齿的封严特性相似,增加篦齿前后腔压比,台阶篦齿的泄漏系数增加;进口总压和总温一定时,齿间压力沿流动方向线性下降;台阶篦齿与台阶衬套的轴向相对位置的改变对台阶篦齿的泄漏量影响不大;低转速时旋转速度对台阶篦齿泄漏影响也不大.      

Effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of brush-labyrinth seals at various operating conditions

Over the last few decades, the research on the effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of the brush-labyrinth seals is not sufficient. To this end, two kinds of brush-labyrinth seals for the bristle pack element installed upstream of the labyrinth teeth named BSU and installed downstream of the labyrinth teeth called BSD were used to investigate the effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of the brush-labyrinth seals. Using the numerical model combining the porous medium model and the whirling rotor method, the rotordynamic characteristics of the BSU and BSD at various operating conditions including four kinds of pressure ratios, five kinds of inlet preswirl speeds and four kinds of rotor spinning speeds were conducted. The obtained results show that the effects of operating conditions on rotordynamic coefficients for the different seal configurations are different. The direct stiffness, cross-coupled stiffness and direct damping of the BSU are lower than those of the BSD. The rotordynamic coefficients of the BSU are more insensitive to the operating conditions variation. From the perspective of the seal stability, the BSU is a better brush-labyrinth seal configuration at high pressure ratio, high positive preswirl or high rotor spinning speed conditions. While in the case of low pressure ratio, low positive preswirl or low rotor spinning speed conditions, the BSD is a better choice.