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.     

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。     

刷式密封泄漏流动特性数值模拟

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,对影响刷式密封泄漏流动规律的一些物理量,比如刷式密封栅栏高度、间隙大小、压比和刷丝束宽度等进行了相关模拟研究;推导并验证了文中所应用的多孔介质阻尼系数。结果表明:在相同压比情况下,栅栏高度越低,泄漏量越大。刷式密封泄漏量会伴随压比变化呈线性变化。对于相同的栅栏高度,随着压比的增加,泄漏量均呈直线上升。     

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。     

刷式密封流动与换热及力学特性的研究进展

刷式密封以其优良的封严性能和稳定的转子动力特性而被广泛应用于透平机械领域.首先简要介绍了刷式密封的封严机理和性能优势,然后对刷式密封在泄漏流动特性、摩擦热效应和传热特性、接触力特性和迟滞效应3个方面的研究现状和最新进展进行了综述,包括相关的实验研究、数值模拟以及理论分析等.最后根据现代高性能透平机械对密封技术的发展需求,展望了刷式密封技术的进一步研发方向.     

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。     

实际气体参数对迷宫密封静力与动力特性影响机理研究

理论分析了考虑实际气体参数的迷宫密封泄漏量计算公式与流动控制方程,基于转子多频椭圆涡动方法研究了不同气体介质对迷宫密封静力与动力特性的影响,揭示了实际气体参数对迷宫密封静力与动力特性影响的机理。结果表明:气体摩尔质量对迷宫密封的泄漏量呈正相关影响;在相同转子涡动频率下,随着气体摩尔质量的增大,主刚度系数、主阻尼系数和交叉阻尼系数的绝对值逐渐增大;密封气流力随着气体摩尔质量的增大而增大,CO2介质密封气流力是CH4介质密封气流力的1.63倍;随着转子涡动频率的增大,气体摩尔质量对有效阻尼系数的影响从惯性效应转移到摩阻效应,有效阻尼系数随着气体摩尔质量的增大在低频时增大、在高频时减小。     

汽轮机刷式汽封流场数值计算

根据刷式汽封的有效厚度模型,对刷丝中蒸汽的流动进行数值计算,得出了刷丝流场的压力场、温度场、速度矢量场及泄漏量。计算表明,刷毛直径、刷毛密度以及刷毛的排布方式对刷式汽封的性能影响显著。     

薄叶气封流场结构与密封、扭矩特性的数值研究

采用CFX商业软件,数值模拟了薄叶气封内的三维流动,分析了薄叶气封的流场结构和密封特性以及扭矩随转速和抬起量的变化。结果表明,由于薄叶间距很狭窄,壁面对气体的黏性阻抗大于气流的膨胀加速,气体同时降低速度与密度,泄漏流量明显减小。此外,转子转数与薄叶抬起量的变化几乎不影响泄漏量。在转子转数一定时,薄叶上抬量愈小,转子承受的摩擦扭矩愈大。而当薄叶上抬量一定,转子转数增加,摩擦扭矩增大。     

动静态下汽封间隙对汽封性能的影响研究

应用Fluent软件,采用SIMPLE算法、RNG k-ε双方程紊流模型和有限体积法离散N-S方程,对动静状态下汽封内的三维流场进行了数值模拟。结果表明:在汽封间隙内部的泄漏流动中,黏性作用是不占主导地位的。间隙值越大,漏泄现象就越严重。转子旋转效应的影响存在于近壁区内,但汽封间隙变化对漏汽量的影响要远大于旋转效应所产生的影响。不同间隙下转速对间隙内流场的流线存在一定的影响,汽封间隙较小时漏汽平均速度受转子转速的影响要大一些。     

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。     

空气预热器转子隔板热变形数值模拟

为了解决空气预热器漏风过大问题,以某电厂660 MW锅炉机组回转式空气预热器为研究对象,对其内部温度场和转子隔板的热变形进行了数值模拟研究,分析转子内部温度分布情况及转子隔板热变形特征。结果表明：不同工况下,转子高温端和低温端温差大小不同,转子隔板的热变形量随着温差的增大而增大;不同工况下,转子隔板最大热变形都发生在二次风侧,最小变形量发生在烟气侧;减少径向漏风量的有效途径是避免在扇形板区域出现较大温差。     

燃气轮机透平叶轮表面耐磨涂层国产化研制

刷式汽封对燃气轮机透平叶轮体的长期过量磨损,会造成漏气,严重影响燃机发电效率,所以在燃机叶轮与汽封齿摩擦部位喷涂一层NiCr-Cr3C2耐高温磨损涂层,可显著提高其发电效率,延长其使用寿命。东汽表工所利用大气等离子喷涂（APS）技术制备的NiCr—Cr2C3涂层的孔隙率、界面污染率、涂层硬度、涂层结合强度、杯突性能等均满足使用要求该项技术与业内国际知名企业水平相当,并成功应用于F级重型燃机透平叶轮上,从而进一步推进了我国重型燃机国产化进程     

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。     

变形对小型Wankel转子发动机端面漏气的影响研究

以计算得到理想状态下的缸内压力、温度、传热系数为初始边界条件,用有限元方法计算发动机温度场,用试验测得的温度场校核计算的准确性,然后将温度场结果作为已知条件计算变形,得到漏气面积并计算端面漏气初值。用漏气后转子发动机状态更新计算边界条件,进行循环计算,最终得到端面漏气量。之后,用此方法研究了转速对端面漏气量的影响,得出如下结论:发生变形后,转子与端盖之间的漏气面积在曲轴转角约630°时达到最大值,最大漏气面积随转速的增加呈拟线性下降趋势;漏气率在上止点附近达到最大值,在上止点附近端面漏气量约占端面总漏气量的50%。漏气率随发动机转速的增加逐渐减小,最大漏气率所对应的曲轴转角随转速的增加而减小。     

密封系统对某压缩机转子振动影响的研究

利用数值分析的方法,研究了密封系统对某压缩机转子振动的影响效果。分析结果表明,密封对转子的振动有非常明显的影响,密封是否会引起转子失稳,主要取决于转子的转速、密封的交叉刚度系数和主阻尼系数,只有转速达到特定值,同时交叉刚度的影响大于阻尼的影响时,转子才会失稳;转子各级叶轮处的密封对转子振动的影响程度不同,以中间一级叶轮的影响最为显著。