柔性丝刷式密封传热特性的数值分析与试验研究

针对刷丝与转子摩擦生热、刷束的局部过热、热量传入轴承腔体等影响机器性能的问题,对柔性丝刷式密封的生热、散热、隔热性能进行了研究.建立了大过盈变阻力柔性丝刷式密封和传统金属丝刷式密封CFD多孔介质数值模型,对比了柔性丝和金属丝刷式密封摩擦生热性能、沿挡板的传热性能、阻碍热量进入轴承腔体的隔热性能,并探究了工况参数和结构参...     

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。     

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。     

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。     

端面刷式密封的制备及试验研究

在对刷式密封制造工艺进行调研的基础上,自制了新型端面刷式密封环.在自制的实验台架上,对端面刷式密封进行了性能测试,得到了反应端面刷式密封静态和动态密封能力的泄漏曲线,将端面刷式密封性能试验结果与文献上其他种类密封实验结果进行比较,证明了端面刷式密封可以满足设计要求,比常规刷式密封更具优越性.     

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。     

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。     

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。     

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。     

汽轮机刷式汽封设计

介绍了刷式汽封的研究与应用发展状况,阐述了刷式汽封的基本结构,分析了刷式汽封与传统梳齿密封不同的密封机制和密封效果.根据某国产汽轮机高压缸前端轴封参数对刷式汽封泄漏量进行计算,并对结构参数、材料进行选择.     

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。     

端面刷式密封性能分析

针对端面刷式密封的特点,采用多孔介质模型作为刷丝区的分析模型,采用Fluent软件对端面刷式密封泄漏流动进行了模拟,得出刷丝区承担着主要压力降,起到主要密封作用。模拟结果与试验值进行了对比,得到较为一致的趋势,且试验值均高于理论值。用仿真方法讨论了一些重要参数对端面刷式密封性能的影响,可供工程实际参考。     

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。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。     

大轴径离心压缩机磁流体密封传热特性研究

高温会降低磁流体饱和磁化强度,造成永磁铁退磁,影响磁流体密封装置的可靠性及稳定性。为探讨磁流体密封装置传热特性,以大轴径离心压缩机磁流体密封为研究对象,同时考虑磁流体摩擦热和轴承摩擦热对磁流体密封装置传热特性的影响,利用有限元数值计算与磁流体、轴承摩擦功耗理论分析相结合的方法,研究磁流体密封装置温度分布规律,分析齿宽、密封间隙和转速对永磁铁和磁流体最高稳态温度的影响,并确定相关工况所需冷却液质量流率。结果表明：由于轴径尺寸较大,表面线速度高,磁流体黏性摩擦热及轴承摩擦热对密封装置传热特性有显著影响,在无冷却工况下,密封装置最高温度超过磁流体和永磁铁的极限使用温度,需通过强制对流换热的方式进行降温处理;永磁铁及磁流体最高稳态温度随着齿宽增加而升高,随着密封间隙增加而减小;随着转速的增加,永磁铁及磁流体最高稳态温度升高,且转速越大,相同转速梯度差之间的温度差越大。     

基于流固热耦合的浮环密封力学特性数值研究

考虑温度的影响,建立浮环密封力学特性流固热耦合数值求解模型,在验证计算方法准确性的基础上,研究浮环密封的流场特性,以及石墨烯、石墨、铝合金以及碳化硅4种材料的浮环密封在不同进口压力、温度时的力学特性。结果表明：浮环密封在偏心时,由于楔形间隙的存在,气流经过这种结构产生流体动压效应,在较薄的流体域一侧形成局部高压区,较厚的一侧压力无明显变化,而温度沿轴向方向逐级升高,且偏心率越大,偏心位置的温度越大;浮环密封流体域温度随着进口压力的升高而降低,因温度影响材料的属性,使得不同材料的浮环密封结构对温度会很敏感;不同材料浮环密封的变形量随进口压力的增加而减小,应变也随着进口压力的增加而减小;4种材料浮环密封的变形量与应力均随着进口温度的增加而增大。     

刷式密封试验器自动控制系统设计

针对航空发动机刷式密封试验器,基于西门子"PLC-WinCC"软硬件平台,设计了一套自动控制系统。该系统能够实现试验器空气系统、液压加载系统、滑油系统的手动和自动控制,自动控制方式能够实现基于载荷谱的试验流程自动化运行。另外,具有试验参数超限报警、硬件故障报警、报警报表、试验计时等功能。配合LabVIEW平台的测试系统软件,能够实现试验器的控制、测试数据记录以及显示等功能。目前,该试验器已投入使用,运行稳定可靠。     

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...