两级刷式密封流动传热特性数值与实验研究

刷式密封传热特性直接影响刷式密封的封严特性与使用寿命,现有刷式密封存在刷丝与转子间摩擦产生大量热导致密封提前失效的问题。建立了两级刷式密封三维实体流动传热求解模型,将数值模型计算结果同实验数据进行对比验证,在验证模型准确性的基础上,数值分析了刷丝束内部轴向和径向的压力分布特性,研究了刷式密封几何参数对泄漏特性的影响和压比、转速、干涉量对刷丝最高温度的影响。结果表明:上下游区域压力基本保持不变,压降主要出现在刷丝束区域;末级刷式密封承受的轴向压力与径向压力较大,表明末级刷式密封对密封性能影响较大;在本文的研究工况下,泄漏量从10排刷丝数到25排刷丝数降低了15.29%,而后挡板保护高度从2.5mm增加至4mm时,泄漏量增加了14.40%,刷丝束与转子表面间的径向距离由0mm增加至0.5mm时,泄漏量增加了31.61%,其中径向距离的增加对泄漏量的影响较为明显;刷式密封的下游区域温度高于上游区域,且高温区出现在刷丝自由端,刷丝的最高温度随着压比、转速以及干涉量的增加而增加,分别增加了6.5%,8.1%,5.4%。     

多级低滞后型刷式密封流动传热特性数值研究

多级低滞后刷式密封的级间压力均衡性和传热特性影响其密封性能和使用寿命。本文建立了基于三维实体建模的多级低滞后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,数值分析了不同压比条件下多级低滞后型刷式密封的级间压力分布特性,研究了两级和三级低滞后型刷式密封温度分布特性。研究结果表明:两级和三级低滞后型刷式密封的最大级间压降均出现在末级刷丝,压比对级间压降占比的影响较小;两级和三级低滞后型刷式密封刷丝束温度逐级升高,末排刷丝温度最高,这主要是因为泄漏气流将前级刷丝束的热量带至末排,导致末排刷丝温度较高,末排刷丝的热变形量最大;刷式密封的热量主要来源是由刷丝与转子之间摩擦产生,其传热形式包括刷丝与挡板、转子之间的导热,以及刷丝、转子、挡板与气流之间的对流换热;刷丝与转子之间的接触力大小决定了摩擦产生的热量大小,导致最高温度不同;热量散失的主要形式是泄漏气流带走的热量。     

考虑闭合效应的刷式密封泄漏特性研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型的Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的数值方法研究实验测量的零间隙和具有间隙的刷式密封在不同压比和转速下的泄漏特性,提出针对刷式密封闭合效应的间隙修正公式。考虑闭合效应后具有间隙的刷式密封泄漏量的预测结果与实验数据吻合,验证所建立刷式密封闭合效应修正模型的有效性。研究结果表明:刷丝束顶部与转轴间的间隙导致刷丝束内部压力降低且具有较为明显的径向压差,径向压差的存在导致刷丝束产生闭合效应,进而减小了刷式密封的有效密封间隙;闭合效应使得刷式密封有效间隙随着压比升高而减小,数值计算刷式密封泄漏特性时考虑闭合效应可以显著提高预测精度;在相同压比和转速下,具有间隙的刷式密封的泄漏量明显大于零间隙刷式密封的泄漏量;刷式密封的泄漏量随着压比的增大而增大;在所研究的转速范围内转速对刷式密封的泄漏特性的影响有限。     

挡板结构对刷式密封泄漏流动特性的影响

为研究前后挡板结构对刷式密封压力和流场的影响规律,采用非线性Darcian多孔介质模型,分别建立6种不同前后挡板结构的刷式密封求解模型,通过与相关实验数据对比,验证模型的合理性,采用ANSYS软件对刷式密封进行数值分析,研究不同前后挡板结构下的刷丝束压力和流场分布特性。研究结果表明：压比和挡板结构对刷式密封封严性能起到关键作用;刷式密封的泄漏量随着压比增大而增大,长前挡板结构能够减小泄漏量,基本型和环形腔型后挡板结构的泄漏量基本没有区别,通腔后挡板结构会使泄漏量显著增长;长前挡板结构能够减小刷丝束内压力,后挡板结构对刷式密封的压力分布起到决定作用;通腔后挡板能够消除部分径向压力梯度,提高刷式密封寿命,但会造成泄漏量增长。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封刷丝接触变形特性理论与试验研究

刷式密封刷丝接触变形引起的泄漏损失、刷丝断裂等问题较为突出,现有刷式密封流固耦合方法存在因刷丝接触引起网格畸变而难以计算的问题。提出基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法建立刷式密封刷丝接触变形特性三维瞬态求解模型,设计搭建刷式密封刷丝接触变形观测试验装置,设计加工基本型和有/无压力腔低滞后型共三种刷式密封试验件,在理论计算与试验测试结果相互对比验证的基础上,系统研究压比和刷式密封结构对刷丝接触变形和接触应力的影响,基于接触摩擦力量化分析比较三种刷式密封的滞后效应。研究结果表明,ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封数值方法难以计算的问题,可准确计算刷式密封的流场特性与刷丝接触变形特性;在所研究工况下,无压力腔低滞后型刷式密封泄漏量和刷丝轴向变形量最大,其刷丝固定端接触应力也最大,基本型刷式密封泄漏量和刷丝轴向变形量最小但产生的滞后效应最强,有压力腔低滞后型刷式密封可以减弱刷丝变形和滞后效应,但末排刷丝与后挡板的接触应力最大,该位置易发生因应力集中而导致刷丝断裂。     

遮流板对低滞后刷式密封泄漏特性及刷丝变形的影响*

为研究带遮流板的低滞后刷式密封泄漏特性及刷丝变形情况，采用ANSYS软件建立低滞后刷式密封的三维叉排管束模型。考虑遮流板的柔性作用，通过与相关实验数据对比，验证数值模型的合理性。研究3种不同结构参数对低滞后刷式密封泄漏特性的影响，并对比分析有、无遮流板时低滞后刷式密封的泄漏量和刷丝变形。结果表明：遮流板有助于提高低滞后刷式密封的密封效果；带遮流板的低滞后刷式密封泄漏量较小，其泄漏量与保护高度和径向间隙呈正相关，与遮流板长度呈负相关；带遮流板结构可以减小刷丝的最大变形量和等效应力；刷丝所受的气动力和轴向变形量也随压差的增大而增大，其最大变形点发生在靠近后挡板的第一排刷丝尖端。     

刷式密封传热特性的数值研究

刷式密封在密封过程中会产生的大量摩擦热,影响到其密封性能,针对这一问题,采用数值分析的方法,研究了进出口静压比与背板结构对刷式密封传热特性的影响规律。首先,采用ANSYS软件建立了刷式密封的三维切片热分析模型,通过与实验数据对比验证了该模型的合理性;然后,研究了进出口静压比对刷式密封泄漏量以及刷式密封最高温度的影响,分析了刷式密封的压力场与流场分布情况;最后,在热分析基础上,对刷式密封温度场的分布情况进行了模拟分析,通过改变背板平衡腔的腔体形状、背板平衡腔体深度和下游保护高度,研究了背板结构对刷式密封温度场的影响规律。研究结果表明:随着进出口静压比的增加,刷式密封泄漏量以及刷式密封最高温度变化趋势逐渐变缓;平衡腔的腔体形状改变对刷式密封最高温度的影响有限;刷式密封最高温度随平衡腔体深度的增大而下降,下降趋势变缓;当下游保护高度低于1.2 mm时,随着下游保护高度的减小,最高温度出现的位置由末排刷丝尖端向前排转移,其数值大小呈指数规律上升。     

低滞后刷式密封泄漏流动数值模拟及结构优化

基于多孔介质模型,采用计算流体力学软件Fluent对常规、低滞后矩形及翼型3种刷式密封泄漏流动特性进行数值模拟,结果表明:相比于常规刷式密封,矩形刷式密封迟滞性并没有得到改善,翼型刷式密封在降低迟滞性的同时泄漏量却大大增加。为改进低滞后刷式密封的性能,提出背板轴向间隙的概念,并研究背板轴向间隙对低滞后刷式密封泄漏流动特性的影响,结果表明:在前后压比一定的条件下,泄漏量与轴向间隙成正比,而泄漏增加量与轴向间隙成反比,且均在轴向间隙较小时变化较明显;相较于矩形刷式密封,轴向间隙密封随着轴向间隙的增大,背板处压力值除在保护高度区域内略有提高外,在其他区域均明显下降,且轴向间隙由0增大到0.1 mm时的压力下降效果最明显。     

基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论,设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置,设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘,实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响,通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量,获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明：刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定,随着干涉量的增大而升高,干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm,刷丝平均最高温升达39.96℃;最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高,随着后挡板保护高度的增大而降低;当刷丝材料为钴基高温合金GH605时,最佳转子涂层材料为WC,当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时,最佳转子涂层材料为ZrO₂,此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量,且耐磨性能高于其他匹配材料。     

刷式密封流场和温度场数值模拟

将刷式密封区域视为多孔介质,建立刷式密封CFD数值分析模型;结合FLUENT软件,通过求解Non-Darcian多孔介质模型的能量方程和(RANS)完全雷诺平均方程的方法,研究刷式密封干涉量、转速和压比对刷式密封流动和传热特性的影响规律;采用EUGRN方程推到出多孔介质阻尼系数计算方法,并通过试验验证该方法的正确性。结果表明:随着压比的增大,最高温度先增大然后减小;随着转轴与刷丝束间干涉量和转速的增加,最高温度增大;在每个转速下都存在一个临界压差可使得刷丝自由端最高温度达到最大值。     

柔性丝刷式密封泄漏特性的数值与试验研究

柔性刷丝较金属刷丝可降低刷封重量和摩擦磨损。建立"L"形柔性丝刷式密封泄漏特性分析的数值模型,分析结构参数、工况参数和安装参数对泄漏率的影响。试验测量压差和转速对泄漏率的影响,并与数值结果对比验证。结果表明:在刷束区流体压力发生突降;小压差、高温度和高转速工况下泄漏率降低,反之则提高,其中转速的影响程度较低;降低孔隙率、刷丝直径、前板间隙、后板间隙或增加刷丝长度、刷束厚度可提高密封性能;合适的密封间隙可通过流阻效应起到密封作用,并显著降低摩擦磨损;试验与数值模拟结果误差小于10%,变化趋势一致。     

低滞后刷式密封泄漏特性与滞后效应研究

针对带遮流板的低滞后刷式密封结构,采用经试验数据修正的多孔介质模型,对3种减压腔轴向尺寸的结构在不同上下游压差下的三维泄漏流场进行了数值模拟,对这3种结构在压差上升和下降过程中呈现的泄漏系数滞后效应进行数值分析。研究结果表明:经试验修正的多孔介质模型能较好地预测低滞后刷式密封结构的泄漏量;不同减压腔轴向尺寸的低滞后刷式密封的压力分布趋势基本相同,减压腔使刷束和后挡板间几乎不存在压力梯度;随着压差的上升,泄漏系数先迅速增大后趋于定值;减压腔轴向尺寸为0.5 mm时泄漏系数最小,但其表现出的滞后效应更显著。研究结果可为低滞后刷式密封泄漏特性滞后效应研究及结构设计提供依据。     

微型轴流风扇下游静子干涉下转子区域非定常流场计算分析

采用滑移网格法对某微型轴流风扇级环境下的非定常流场进行数值模拟,分析下游静子干涉下转子区域内部流场的非稳态特征。研究结果表明:下游静子的存在,对上游转子通道内速度场及其相关量影响较小。转子在经过压力不均匀的下游压力场时,通道内压力波动从尾缘处的25%衰减到前缘的15%,压力面的衰减速度要大于吸力面。叶排间的干扰以压力波的形式向上游转子通道内传递,使得转子通道内压力呈现明显的类正弦式的周期性变化,这是典型的势干扰作用。     

油气两相柔性丝刷封传热性能数值分析及试验研究*

为解决大过盈结构的柔性丝刷封局部过热、过多热量传至下游从而影响设备性能等问题,针对轴承腔处油气两相的密封环境和柔性丝刷封大过盈的结构特点,建立油气两相柔性丝刷封传热模型并进行数值计算;试验测量柔性丝刷封挡板的实时温度及刷封的温度变化,研究油气两相介质下柔性丝刷封的温度场分布和传热性能,分析工况参数和结构参数对其传热性能的影响。结果表明：最高温度出现在转子与轴向段刷丝束接触处,轴向段刷丝区存在局部〖JP2〗高温,径向段刷丝无明显温度变化,解释了大过盈结构的柔性丝刷封的传热机制;增大压差、转速和介质油气比均会导致刷封出口热流量增加,压差对出口热流量影响最显著,可设置多级刷封密封装置降低出口热流量以适应高压差的密封环境。以降低出口热流量为目标,得到了结构参数的较优取值范围,可为其传热性能的提升和结构优化提供参考。     

端面刷式密封的研制及特性分析

针对常规刷式密封存在的转子易磨损、刷丝之间的间隙随半径的增大而增大,进而造成空隙率不均、后挡板与转子之间的间隙大小受到转子径向跳动的限制等问题,研发了一种用于气体密封的新型端面刷式密封结构,将常规型刷式密封的摩擦面由转子表面转移到与转轴垂直的端面上.端面刷式密封具有摩擦无法对转子造成破坏、刷丝排列更紧密,刷丝区孔隙率均匀、适用于更大的转子偏移、结构上有更多的选择性等特点,使密封效果更好.     

低压螺旋槽上游泵送气体端面密封零泄漏特性

采用有限差分方法,基于对螺旋槽端面气膜压力分布、流速分布和泄漏率变化的数值计算分析,探讨低压上游泵送螺旋槽气体端面密封实现被密封介质零泄漏的作用机制和变化规律。结果表明,螺旋槽上游泵送作用可在高压侧形成周向封闭的高于密封压力的高压流体环带,阻止被密封介质进入密封间隙,实现被密封高压介质的零泄漏,形成密封介质的完全的反向泄漏;泄漏率随转速、槽数和膜厚的增加先减小后增大,随槽深、螺旋角和槽台宽比的增加先增大后减小,随槽根半径增加而减小;当转速、膜厚和槽数达到一定值时,泄漏方向会发生改变;开启力随转速和槽数增加而增大,随着膜厚的增大而减小,随槽深、螺旋角、槽台宽比和槽根半径的增加呈先增大后减小的趋势。     

双风冷外转子永磁同步电机不同动密封结构的传热特性

为加强基于定转子双风冷外转子永磁同步电机内部小间隙处密封性的同时保障间隙的散热性,在考虑旋转因素下,利用计算流体力学的方法对电机小间隙处不同迷宫密封结构在不同工况下的流场和传热特性进行数值模拟,通过对间隙处压力、速度的分析,探讨上下间隙处不同迷宫密封结构对电机整体密封性能以及定子侧壁面散热性的影响,并使用泄漏量和努塞尔数作为评价因子对其密封性能和散热性进行评估。结果表明：轴流风扇工况为吸风时更有利于提升电机密封性并同时保障间隙处散热性;在上下定转子间隙处添加迷宫密封的方式可以有效提高电机在双风冷系统下的密封性,且上下间隙处密封结构的压降总和越大,泄漏量越小;间隙处定子侧壁面的平均努塞尔数因迷宫密封的添加会有所下降,并且当来流温度低于壁温时其下降程度随密封结构阻流效果的增大而增大,高于壁温时随密封结构阻流效果、凹槽漩涡强度的减小而增大;相较于无密封结构,定子侧双凹槽结构在提高电机整体密封性的同时有效保障了间隙的散热性,研究结果为外转子永磁同步电机内部间隙处密封和散热结构的设计提供了参考。     

具有不均等负重合量的非对称气动伺服阀压力特性研究

研究了一种具有不均等负重合量及均等负重合量的新型非对称气动伺服阀的压力特性。该非对称气动伺服阀的下游节流口面积为上游节流口面积的两倍。伺服阀的压力特性及零位压力取决于下游和上游开口面积比例和阀的负重合量。具有均等负重合量的伺服阀在零位时泄漏流量最大;具有不均等负重合量的伺服阀在零位附近某处时泄漏流量最大。理论结果和试验结果十分吻合。     

基于ANSYS的螺杆泵内部压力分布有限元分析

对于螺杆泵的单级密封压力,目前广泛采用取平均值法,导致泵内压力分布呈线性变化,不能正确反映其实际分布规律.本文借助ANSYS有限元分析软件建立螺杆泵定转子二维有限元接触模型,模拟不同过盈量下的临界密封压力;分析不同温度、压力下定子衬套橡胶的变形量,利用“有效过盈量”计算不同温度、压力下的临界密封压力,并根据临界密封压力确定螺杆泵内部压力分布.结果表明:泵内压力分布是由泵排出口压力和泵各级容腔的单级密封能力决定的,压力分布在排出口处集中,随着排出口压力增加向吸入口传递;当压力传到吸入口且前两级容腔之间的压差大于其密封能力时,泵被“击穿”,此时应更换更大型号的泵.     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。