刷式密封泄漏流动特性影响因素的研究

采用基于改进Darcian多孔介质模型的Reynolds-Av-eraged Navier-Stokes方程求解技术,用数值模拟的方法分析了在一定径向间隙条件下压比和刷丝束厚度对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。根据发表的刷式密封泄漏量试验数据,确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数。利用所确定的刷丝束多孔介质渗透率系数,分别计算了在一定径向间隙条件下7种压比和5种刷丝束厚度时某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态。计算结果表明,压比和刷丝束厚度均影响刷式密封的泄漏量,在一定压比条件下,泄漏量随着刷丝束厚度的增加而减小;在一定刷丝束厚度条件下,泄漏量随着压比的增加而增加。因为刷式密封泄漏量与压比和刷丝束厚度近似成线性变化,所以压比和刷丝束厚度对刷式密封内泄漏流动形态的影响可以忽略。     

计算刷式汽封泄漏流动的多孔介质模型

通过对刷式密封刷丝束中泄漏流动特点的分析,把刷丝束当作多孔介质来处理,有效简化刷丝束中复杂的泄漏流动,建立了刷丝束中多孔介质的泄漏流动模型。刷式密封内泄漏流动的特性采用的是基于多孔介质模型Reynolds-averaged Navier-Stokes方程的数值计算方法进行研究的。计算和分析了不同转速、不同压差和不同孔隙率下的泄漏流量。计算结果表明:在相同的孔隙率下,压差越大泄漏量越大;在相同的压差下,孔隙率越小,泄漏量越小;刷式密封的泄漏量与轴的转速无关。通过数值计算和实验结果的对比,两者数据吻合较好,验证了采用多孔介质模型模拟刷式密封刷丝束的可行性。     

刷式密封泄漏特性数值方法研究与实验验证

从数值方法和实验测试两方面研究刷式密封的泄漏流动特性。分别建立刷式密封稳态多孔介质模型和瞬态三维流固耦合模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性实验台,用实验方法研究了进出口压比和密封间隙对刷式密封泄漏特性的影响,对比验证了两种数值方法的准确性,分析比较了两种数值方法的优缺点。在此基础上,用数值方法研究了刷式密封流场特性,分析了刷丝束内部轴向和径向的压力分布特性以及刷丝的"吹闭效应"。研究结果表明:刷式密封瞬态三维流固耦合模型比多孔介质模型求解精度更高,与实验结果更贴近,但求解时间较长;多孔介质模型计算时间短,但该方法需要对孔隙率和阻力系数进行修正,求解不具有普适性;密封间隙一定时,泄漏量随压比的增大而近似呈线性增大;压降主要发生在刷丝束区域,刷丝束轴向压力分布不均,前排刷丝束之间压力梯度较大;径向压力沿轴向分布不均,末排刷丝束径向压力梯度较大,径向压差的存在是产生"吹闭效应"的重要原因。     

基于流固耦合方法的刷式密封刷丝变形及接触力特性的数值研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型的三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程耦合Finite Element Method(FEM)接触模型的数值方法,建立了考虑了泄漏流体气动力、刷丝间摩擦力和刷丝与前后夹板间的相互作用的刷式密封刷丝变形及接触力特性的预测模型。对比分析了单级和两级刷式密封的刷丝变形量及其与转子面的法向接触力和摩擦力随压比的变化特性,探究了刷丝直径、刷丝倾斜角和干涉量对刷丝与转子表面接触力的影响规律。结果表明:压比由1.1变化到4.0时,单级和两级刷式密封的刷丝变形量、刷丝与转子面的法向接触力和摩擦力均随压比的增大而增大;在相同压比条件下,两级刷式密封上游级和下游级刷丝与转子面的法向接触力较单级刷式密封分别可降低55%和32%;刷丝与转子面的法向接触力和摩擦力随刷丝直径、刷丝倾斜角和刷丝束与转子面干涉量的增大而增大。当刷丝直径小于0.08 mm,干涉量小于0.1 mm,刷丝倾斜角在30°～45°之间时,可有效降低刷丝与转子间的法向接触力和摩擦力。     

后夹板结构对刷式密封泄漏特性和温度分布的影响

采用数值方法求解基于Non-Darcian多孔介质模型的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和能量方程,研究了5种后夹板结构对刷式密封泄漏特性和温度分布的影响.结果表明:数值预测得到的刷式密封泄漏量与实验值吻合良好,验证了数值方法的有效性;在后夹板上设置开槽对泄漏量的减小没有益处,其中与下游腔室相连的开槽会导致泄漏量大幅增大;5种后夹板结构刷式密封的最高温度均发生在刷丝与转子的接触面上,后夹板开槽结构对刷丝束尖端温度的降低并未起到作用.     

高速齿轮箱迷宫密封流场和泄漏特性的数值研究

以某型大功率机车传动齿轮箱轴端迷宫密封为研究对象,建立错齿式迷宫密封的数值仿真模型。通过分析迷宫密封的密封机理和对泄漏量的影响因素,确定了数值模拟的边界条件。应用Fluent软件,求解N-5方程和能量方程,模拟迷宫密封腔内流场分布及泄漏特性,研究转速、压比和密封齿隙对泄漏特性的影响规律。研究结果表明：随着进出口压比的增加,泄漏系数先快速增加后趋于平缓;转速对泄漏系数影响很小;泄漏系数与齿隙呈分段线性关系。     

径向间隙对刷式密封泄漏特性影响的数值分析

采用计算流体力学方法和多孔介质模型对5种径向间隙布置的刷式密封的泄漏流动特性进行了数值模拟.结果表明：相对于接触式零间隙密封,径向间隙为0.1 mm时的泄漏流量增加了1个数量级,且压比越大,泄漏流量的增幅越大.当间隙增加到0.3-0.4 mm时,从径向间隙通道直接流出的流体达到总泄漏流量的75%-85%.在各种间隙条件下,近背板截面刷丝自由端附近的径向压力梯度达到最大值,促使刷丝区域内的流体沿径向加速流向转子表面并从径向间隙通道流出.     

考虑摩擦热效应的刷式密封性能仿真研究

建立包含转子的刷式密封三维理想切片模型,通过商用ANSYS系列软件计算了不同工况条件下刷式密封与转子的温度场分布情况,在热分析基础上进行了刷式密封热-结构耦合分析.结果 表明:随着上下游压差增大,刷式密封泄漏量逐渐增大,刷式密封泄漏量随着转子转速的增加呈微弱的下降趋势;在工作开始阶段的温升过程中,刷式密封的最高温度随着...     

基于FLUENT的某型燃气轮机迷宫密封机理研究

针对影响透平机械中旋转迷宫密封泄漏特性的3个因素:密封间隙、压比、转速,以某型燃气轮机的隔板迷宫密封为研究对象,数值研究了各个因素对迷宫密封泄漏特性的影响规律,计算分析了该迷宫密封在不同工况下的泄漏特性。研究结果表明:随着转子转速的增加,迷宫密封泄漏量减小;相同密封间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,泄漏量随着密封间隙的减小而减小,且泄漏量减小的速度越来越慢。     

刷式汽封内部流动及泄漏特性的数值研究

采用数值求解三维Navier-Stokes方程技术,研究了不同因素(如背板高度、径向间隙等)对刷式汽封内部流动特性的影响。提出了改进的刷式汽封模型,数值分析了5种刷式汽封模型压力分布、速度场及泄漏量情况。结果表明:随着背板高度的增加,3种不同进口压力下的泄漏量都随之增加;蒸汽泄漏量随着刷束厚度的增加反而降低;蒸汽泄漏量与径向间隙成正比例关系。模型5较其它4种刷式汽封模型背板径向压力低,但刷束区蒸汽流速大,泄漏量明显高于其它刷式汽封。     

光轴迷宫密封泄漏流动特性影响因素的数值研究

采用数值求解三维粘性Reynolds-Averaged Navier-stokes(RANS)方程技术,研究汽轮机低压光轴迷宫式隔板密封内泄漏流动特性及其影响因素。采用有限体积方法离散控制方程,标准k-ε紊流模型封闭求解方程组,同时考虑轴的旋转效应。针对典型的光轴整体加工尖齿隔板密封,分别数值研究了相同的轴向距离和径向间隙下三种齿间距在不同压比下的泄漏流动特性,计算了相应的无量纲流量系数。计算结果显示出迷宫隔板密封与轴之间的环形腔室内三维涡流使泄漏流动的动能有效地耗散成热能,起到了密封的作用。研究结果表明在相同的几何尺寸下迷宫隔板密封的泄漏量随着压比的减小而增大,在相同的压比条件下,泄漏量随着密封齿间距的减小而减小。本文的研究工作对合理有效地设计迷宫式隔板密封提供一定的理论依据和技术支撑。     

高速旋转的汽轮机隔板密封内流体流动的模拟

采用数值求解粘性Navier-Stokes方程,研究考虑轴旋转效应的汽轮机高低齿迷宫式隔板密封内流体流动特性及其影响因素.采用有限体积方法离散控制方程,紊流模型采用标准κ-ε两方程模型进行求解.数值模拟了三种齿间距下不同压比时的高低齿迷宫式隔板密封内部的流场特性,并且计算了相应的无量纲流量系数.计算结果揭示了隔板密封内由于环形腔室和高低齿的作用导致密封内流体的动能有效地耗散为热能,起到了密封的作用.研究结果表明：在相同的几何结构下,压比的增加导致密封泄漏量的减小;在相同的压比条件下,密封的泄漏量随着齿间距的减小而减小.图6参4     

孔型密封泄漏特性影响因素研究

采用计算流体力学方法研究孔型密封的泄漏特性,特别是孔形和面积比对泄漏特性的影响。结果表明:随转速增加泄漏量减小,随压比增加泄漏量增大并趋稳,最大压比的泄漏量为0.118 kg/s;相同面积比与孔数下,圆孔密封性能最好,蜂窝孔(六边形)次之,矩形孔最差;且传统蜂窝密封性能优于六棱台形式的蜂窝密封,泄漏量减小10.61%;随孔深增加泄漏量减小并趋稳,最大孔深的泄漏量为0.114 kg/s;面积比增加有利于提高密封性能;改变蜂窝孔对边距比减小壁厚对密封性能更有利。     

迷宫密封流场和泄漏量的数值分析与研究

应用Fluent计算软件采用标准k-ε湍流模型求解迷宫密封三维流场,研究了涡动转子在不同压比和偏心位移下密封腔室内的流场特性.进一步讨论了转子涡动速度、进出口压比和偏移位移对迷宫密封泄漏量的影响.研究发现,涡动速度越大对密封泄漏量的影响也越大,随着涡动速度的增加密封泄漏量降低;不同的进出口压比使密封中流体的轴向流速不同,当轴向流动速度达到跨音速以上时,密封泄漏量特性发生明显变化,此时密封泄漏量达到最大;密封转子的径向偏移量会增加密封的泄漏量.为了能在工程实际中更快更好地计算迷宫密封泄漏量,进一步修正和完善了Egli密封泄漏量经验计算公式,完善后的计算公式对迷宫密封工程设计及运行具有一定的意义.     

基于热力学效应的迷宫密封封严机理数值研究

热力学效应的研究是揭示迷宫密封封严机理的关键。建立了三维迷宫密封热力学求解模型,推导了考虑热力学效应的密封泄漏量公式,研究了压比、偏心率、密封间隙对迷宫密封熵增与泄漏量的影响规律,从热力学效应角度分析了迷宫密封的流场特性与泄漏特性。研究结果表明:所建立的密封泄漏量公式能够反映热力学效应与泄漏量之间的关系;熵增反映了迷宫密封气体动能转换成热能的程度,热力学效应越充分,熵增的幅度就越小,密封性能越好。压比、偏心率和密封间隙是通过影响气体热力学效应来影响密封泄漏量的;泄漏量随压比和密封间隙的增大而增大,二者近似呈线性关系。随着偏心率的增大,密封封严性能降低,相比于转子同心工况,偏心率为0.9时泄漏量增大了6%。转子高速旋转下与气体摩擦产热所产生的功率耗散会引起气体温度升高。通过研究迷宫密封流场特性和能量耗散,从热力学效应角度进一步揭示了迷宫密封的封严机理。     

蜂窝密封泄漏流动特性影响因素的数值研究

采用RNGk-ε两方程紊流模型和Simple算法,利用Fluent软件对蜂窝密封内的三维流动情况进行了数值模拟,从压比、蜂窝芯格尺寸、蜂窝深度、蜂窝壁厚等因素分析蜂窝密封的泄漏流动特性.结果表明:蜂窝密封特殊的六边形蜂窝结构可以将泄漏流分割成许多小涡流,气体在蜂窝腔中呈逆时针螺旋式三维紊流运动;随着压比的增大,蜂窝密封泄漏量增加,压比越大,泄漏量增加的趋势减缓;蜂窝芯格尺寸小,泄漏流被分割成小涡流的个数多,密封间隙摩阻效应大,泄漏量减少;蜂窝深度增大,泄漏量减少,蜂窝深度大于4 mm时,泄漏量减少的趋势减缓;随着蜂窝壁厚的增加,泄漏量略有减少.     

转子轴向位移对迷宫密封泄漏特性的影响

采用数值求解三维雷诺平均的N-S方程的方法,研究了透平机械的转子轴位移、汽封密封压比对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律。在定转速、定密封间隙情况下计算典型迷宫密封在6种密封压比、4种轴向位移距离下的泄漏特性。研究结果表明:在所分析的工况下,转子轴向位移对泄漏量具有较大影响;位移距离小于1mm时,泄漏量随位移的增大而增大;位移距离大于1mm时,泄漏量随位移的增大而减小。在迷宫密封泄漏量Egli计算公式的基础上,通过引入修正系数修正转子轴向位移对迷宫密封泄漏量的影响,构建了新的预测迷宫密封在转子发生位移时泄漏流量的计算公式,并进行了数值验证。研究结果可为迷宫密封轴向间隙的设置提供参考。     

刷式汽封和梳齿汽封泄漏流动特性的数值模拟研究

采用数值求解三维Navier-Stokes方程技术,研究了梳齿汽封和刷式密封的内部流动性能,即汽封内部压力场分布、速度场分布,以及不同型式汽封的模拟漏汽量。采用汽封漏汽量公式,计算了不同汽封的理论漏汽量,并与模拟漏汽量进行比较。结果表明:在相同进口压力下,刷式汽封的压力变化比梳齿汽封的压力变化迅速。同时揭示了刷式汽封能够有效干扰蒸汽流动,降低蒸汽的流速。某电厂汽封改造实例表明,采用刷式汽封替换梳齿汽封后热耗率较改造前降低了143k J/(k W·h),汽封改造效果明显。     

变工况下高低齿迷宫密封泄漏特性及结构优化

高低齿迷宫密封是透平机械中抑制流体泄漏的关键部件。以某机组隔板密封为对象建立高低齿迷宫的计算流体力学(CFD)模型,研究由变工况引起的转子轴向偏移对密封泄漏特性的影响,并通过调整转子凸台宽度和密封腔高度对密封结构进行优化。结果表明:原始结构设计下,转子轴向偏移±3 mm内,泄漏量并未发生大幅度的上升;在-2~1.5 mm范围内泄漏量有所下降,说明在工况变动不大时,密封性能有所提高,但超出±3 mm的范围,泄漏量呈突增趋势;泄漏量分别随转子凸台宽度和密封腔高度呈二次非线性变化,存在一个最佳值使泄漏量达到最小,最佳凸台宽度和密封腔高度分别为5.13和7.5 mm;结构优化后密封泄漏量在正常工况及变工况下均小于原始结构,密封性能得到提高。     

超微燃气透平非接触式密封的三维CFD数值分析

提出将螺旋密封应用于超微燃气透平气体介质密封.采用三维CFD数值计算方法分析了微尺度下无密封齿、迷宫密封和螺旋密封的泄漏规律及流场规律.结果表明:微尺度下迷宫密封最优齿数的存在与进、出口压比和密封间隙有关,而齿形对密封性能的影响没有宏观尺度下明显.在小压比下,密封轴转速对螺旋密封性能的提高明显,其泄漏减少量最高可达19.3%,因此螺旋密封显然优于迷宫密封和无密封齿;在大压比下,螺旋密封与迷宫密封的效果相当,均优于无密封齿.当压比为2时,迷宫密封的泄漏率比无密封齿降低27.1%.