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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

轴承腔环瓣式浮环密封摩擦热分析

针对航空发动机轴承腔高转速、变压差下的摩擦生热问题,对环瓣式浮环密封的主要参数进行了研究。采用ANSYS有限元软件,建立了密封摩擦发热以边界条件施加的热模型;基于Fluent建立了跑道散热流固热耦合模型,研究了不同阻封气温度、冷却油流量下跑道的温度变化,模拟了温度分布及冷却油散热效果,得出了影响密封发热的主要因素。研究结果表明:密封摩擦发热会引起局部温度过高,产生不均匀热应力导致密封面变形,增大泄漏量,压差、转速等对密封摩擦发热影响很大,应通过减小关闭压力的方式来减少密封的发热;冷却液的冷却效果与跑道的生热量存在极限值,继续增加供油量不会提高跑道的降温效果;该结果可为轴承腔环瓣式浮环密封的摩擦过程研究提供参考。     

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。     

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%。     

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。     

考虑热效应影响的指尖密封接触强度分析

指尖密封作为柔性高速动态密封装置,其在航空发动机、燃气轮机等重大设备的高速密封部位具有良好的应用前景。但高速高温条件下,摩擦生热和环境温度对指尖密封配副接触强度具有重要影响,进而影响其密封性能,探索其影响机理成为指尖密封性能设计中的关键。为此,研究针对指尖密封实际工况条件,将摩擦生热转化为热流密度边界条件,同时计入密封介质温度的影响,构建了指尖密封系统的热结构耦合分析模型,研究了热效应对指尖密封/转子配副接触强度的影响规律,并进行了物理试验验证。研究结果表明,高速条件下摩擦生热对密封配副接触强度具有重要影响,转速为15 000 r/min时,室温条件下,摩擦效应导致指尖密封局部温度升高超过370℃,指尖靴/转子摩擦配副间接触压力增大近10%;高温条件下,考虑热效应影响后,导致局部接触压力相对于不考虑热效应影响时减小了90%;性能试验结果表明考虑热效应后,密封上下游压力差为0.4 MPa时,指尖密封泄漏试验结果的最大误差仅为16.5%,而不考虑热效应影响时,最大误差达到了72.8%,验证了考虑热效应的必要性和热分析方法的合理性,为高温、高速条件下的指尖密封性能设计提供了重要参考。     

关于行波超声电动机的性能试验与分析

研究行波超声电动机的工作机理,分析其发热量来源,主要有压电陶瓷变形产生热量,定子弹性体变形产生热量,以及定转子接触面摩擦生热。电动机性能的相关试验表明,行波超声电动机发热源的影响次序分别是定转子的接触摩擦生热,压电陶瓷生热,以及定子弹性体的变形产生的热量,定子弹性体的变形产生的热量很小,可以忽略不计。定转子摩擦发热可以分为接触区摩擦生热和摩擦材料受挤压发热,影响接触区发热量的主要因素是摩擦材料的厚度、摩擦因数、弹性模量和预紧力。通过试验研究了电动机的热工作能力。     

轴连轴承温度场分析

在对热传递方式分析的基础上,建立轴连轴承热传递模型.针对轴连轴承组件的具体工况及结构特点,并结合轴连轴承热传递模型,用有限差分法的思想将轴连轴承系统离散为一组温度节点.在球轴承拟静力学和生热分析的基础上,计算轴连轴承各组件的摩擦生热,轴连轴承组件各单元间摩擦生成的热量可近似按一定比例分配给内、外套圈.建立各个节点的能量...     

叶片密封温度场的数值模拟

叶片密封温度场的分布对叶片式液压摆动油缸的稳定运行有重大的影响。基于有限单元法,以摆动液压缸定子叶片密封为研究对象,建立了叶片密封二维平面温度场数值模型,运用MATLAB求解温度场数学的模型。求解获得了叶片密封在摩擦生热和机械滞后生热同时作用下其温度场的分布。数值分析结果表明:在摩擦生热和机械滞后生热两种热源的同时作用下,叶片密封有较高的温度场,温度较高的区域主要集中在叶片密封与转子接触中心区域。     

机床主轴轴承摩擦生热特性分析

为研究圆柱滚子轴承摩擦生热特性,构建了一种考虑了主轴-轴承装配过盈量、离心力以及配合表面粗糙度的拟静力学分析模型.应用局部法计算得到轴承各部件间的摩擦生热量,通过实例分析了不同工况条件以及润滑参数对摩擦生热的影响.结果表明,轴承转速及外载荷对摩擦生热量有较大影响,转速越高,摩擦生热量增长越明显;润滑油动力黏度或油气比例...     

考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的高速角接触球轴承温度场分析

高速电主轴角接触球轴承内部的摩擦会使轴承温度升高,进而影响主轴的使用性能。为精确分析高速角接触球轴承的温度场,提出了一种考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的轴承温度场分析方法。首先建立考虑差动滑动、自旋滑动、载荷以及润滑油黏性引起的摩擦的总摩擦生热量计算模型和热诱导载荷计算模型,然后分析两者之间的交互影响,最终基于有限元分析软件得到轴承稳态温度场,结果表明：稳态时轴承最高温度在球与内圈接触区域,球与外圈的接触区域温度较低;考虑热诱导载荷时差动滑动、自旋滑动以及载荷引起的摩擦生热量大于未考虑热诱导载荷,润滑油黏性引起的摩擦生热量无变化;考虑热诱导载荷时球与内圈的接触力及温升大于未考虑热诱导载荷。     

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。