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。     

两级刷式密封的流动计算与系统参数的配置研究

基于两级刷式密封的刷丝束截面二维叉排管束模型,利用计算流体动力学(CFD)方法研究两级刷式密封刷丝束截面泄漏流的压力和流速分布规律,分析级数和级间距对出口平均轴向流速的影响,以及上下游级刷丝排数对级间分压比的影响规律。结果表明:上下游级刷丝排数相同时,两级刷式密封存在级间压力不均匀性,下游级承受的压降要大于上游级承受的压降,压力增大会加剧级间压力不均匀性;两级刷式密封的泄漏量比单级的泄漏量要小,当级数大于3后泄漏量的减少量很小;增加上游级刷丝排数或者减少下游级刷丝排数能改善级间压力不均匀性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非金属刷式封严泄漏特性试验与仿真研究

以碳基纤维材料为刷丝制备一种新型非金属刷式封严,搭建专门装置评估该刷式封严的封严性能和流动特性;采用多孔介质模型模拟刷丝束区域,并仿真计算获取该封严的泄漏和内部流动特性。试验与仿真研究均表明,压差增加导致泄漏增加,转速对泄漏影响不明显;仿真计算结果表明,压差主要发生在刷丝束区域,压差越大,后腔射流形成的旋涡强度越大;耐久性试验表明,经初始磨合过后,刷式封严性能较稳定,满足封严要求,但经更长时间的耐久性试验后,碳基纤维刷丝刷式封严性能出现严重下降,表明其耐久性仍有待提高。     

低滞后刷式密封泄漏特性试验研究

模拟航空发动机静态和动态工况,对低滞后刷式密封的泄漏特性进行试验研究,研究转速、进出口压差和温度等参数对低滞后刷式密封泄漏特性的影响规律;通过普通和低滞后刷式密封的试验对比,研究普通刷式密封的滞后现象,并进行低滞后刷式密封的持久试验。试验结果表明:低滞后刷式密封具有优异的密封性能,在动态试验中,刷丝具有良好的跟随性,缓解了刷丝滞后效应;低滞后刷式密封具有持久保持优异密封性能的潜力。     

指尖密封静动态特性试验研究

模拟航空发动机真实工况,对指尖密封静动态性能进行了试验研究并与标准型刷式密封进行比较,研究压比、转速、温度对指尖密封泄漏特性的影响规律。试验结果表明:指尖密封具有优异的密封性能;随着压比的增大,指尖密封泄漏参数先增大后趋于定值;在试验转速范围内,随着转速的增加,泄漏参数降低;随着温度的升高,泄漏参数减小;指尖密封相比于标准型刷式密封,静态泄漏参数降低8%~41%,动态泄漏参数降低约18%。     

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。     

空化对低温浮动环密封流场和密封特性的影响

为探究典型工况下单相和两相空化流动的流场及密封特性,对考虑过渡段的低温浮动环密封进行数值仿真,对比分析转子面、密封间隙轴向及周向的压力分布特点,并探究单相和两相流动条件下进口压力、进口温度、转子偏心率以及转子转速对泄漏量、进口损失系数、密封力和偏位角的影响.研究结果表明:同心状态下,单相流和两相流的流场均具有对称性;偏...     

柔性极靴磁脂密封温度场和传热性能的研究

针对现有磁脂密封密封能力有限、运行时极靴易与转轴发生刚性磕碰;而刷式密封摩擦生热较大、不能实现零泄漏等问题,综合磁脂密封与刷式密封的特点,提出了新型柔性极靴磁脂密封。利用GAMBIT和FLUENT软件建立柔性极靴磁脂密封的数值分析模型,对比分析了柔性极靴磁脂密封理论上的温度场分布以及磁脂温升规律等传热特性。结果表明:密封的接触线速度、柔性丝的直径、排列倾角和安装过盈量都会对磁脂温度变化产生一定的影响;排列倾角和安装过盈量对磁脂温升的影响有限。由于涂层厚度过小,改变涂层材料,对磁脂温度的影响较小。此外,建立了柔性极靴磁脂密封试验系统,验证了随着转轴转速的增加,柔性极靴密封功耗和磁脂温度会有明显的上升。     

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.     

基于Miner线性累积损伤理论的刷式密封疲劳寿命数值研究

基于Miner线性累积损伤理论对刷式密封刷丝的疲劳寿命进行分析，采用Goodman平均应力修正理论对刷丝材料的S-N曲线进行修正，利用有限元静力学和疲劳寿命分析方法建立刷式密封刷丝的疲劳寿命分析模型。在验证数值模型准确性基础上，通过分析刷式密封刷丝的不同结构参数对刷丝疲劳寿命的影响，对刷式密封刷丝的结构参数进行优化。研究结果表明：刷式密封刷丝容易失效的区域主要为刷丝根部区域，其次为刷丝中间区域；在刷丝材料的屈服应力内，随着最大应力幅值的增加，刷丝的疲劳寿命降低；随着刷丝直径的增大，刷式密封刷丝的疲劳寿命降低，随着刷丝倾角和刷丝长度的增大，刷丝的疲劳寿命逐渐增加；当刷式密封的刷丝直径为0.08~0.12 mm，刷丝倾角为45°~55°，刷丝长度为8~12 mm时为刷式密封刷丝可获得最佳的疲劳寿命。