二氧化碳迷宫密封动力特性影响因素研究

以S-CO_2(supercritical carbon dioxide)为工质,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法建立迷宫密封全三维数值分析模型,应用基于微元轨迹的密封动力特性系数理论识别方法获取密封动力特性系数,研究以S-CO_2为工质的迷宫密封在不同密封腔室、间隙及齿数下的动力特性,并对比分析以空气为工质的密封系统稳定性。研究表明:密封直接复合刚度系数及平均直接阻尼系数频率依赖性较高,交叉复合刚度系数频率依赖性较低;密封有效阻尼系数在低频下(小于100 Hz)频率依赖性较强,并随密封间隙的减小而略微增大;在高频下(100 Hz以上),各腔室有效阻尼系数沿泄漏方向逐渐降低,且随齿数、密封间隙的增加而增大;10齿密封的有效阻尼系数约为4齿密封的128%～356%,0.16 mm间隙密封的有效阻尼系数约为0.32 mm间隙密封的80%～170%,与空气相比,以二氧化碳为工质的密封泄漏量较大,有效阻尼系数约为空气的167%～202%,系统稳定性增强。     

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。     

超临界二氧化碳扇贝阻尼密封动力稳定性研究

为研究超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide, SCO₂)扇贝阻尼密封在不同工况下动力稳定性,建立SCO₂扇贝阻尼密封数值计算模型,分析进口压力、温度及转速对SCO₂扇贝阻尼密封动力特性及泄漏特性的影响。结果表明：直接复合刚度随涡动频率增加由正变负;交叉复合刚度随进口温度、压力增加而减小,随转速增加而增大;SCO₂扇贝阻尼密封的有效阻尼随进口温度、转速增加而减小,随进口压力增加而增大,进口压力为8.1 MPa时有效阻尼约为7.7 MPa时的1.7～2.9倍;扇贝阻尼密封直接复合刚度、有效阻尼整体上大于迷宫密封,稳定性高于迷宫密封,但泄漏量略高于迷宫密封。     

进口预旋对迷宫齿磨损形态下密封非定常气流激振转子动力特性系数的影响

为研究进口预旋对迷宫齿磨损形态下密封非定常气流激振转子动力特性系数的影响,采用基于转子多频椭圆涡动模型的URANS方程求解方法,计算分析了2种进口预旋比下未磨损结构、未弯曲磨损结构和部分弯曲磨损结构下密封泄漏质量流量、气流平均周向速度和转子动力特性系数的变化。结果表明：在2种进口预旋比下,增加磨损间隙和迷宫齿弯曲均会使密封泄漏质量流量增大;当进口预旋比为0时,密封泄漏质量流量增大使得转子周向拖动作用降低,腔室内气流平均周向速度减小,进而导致与转子涡动方向相反的负切向气流激振力减小,密封转子稳定性降低;当进口预旋比为0.45时,气流平均周向速度不受迷宫齿磨损结构的影响,因此迷宫齿磨损后腔室内周向动量增大,进而与转子涡动方向相同的正切向气流激振力增大,密封转子稳定性降低。     

汽轮机斜孔腔蜂窝密封泄漏性能优化数值研究

蜂窝密封是目前汽轮机中最先进的密封方式,能够有效减少密封间隙同时显著提高转子的动力特性,蜂窝密封的结构创新和孔腔形状的几何优化是降低运行中泄漏率的有效途径。本文通过引入轴向倾斜角参数,提出了一种中心轴线与转轴轴线成一定角度的倾斜孔型蜂窝密封,利用Fluent软件模拟了不同孔腔几何形状的蜂窝密封的三维流场和压力分布,研究了几何参数对倾斜孔型蜂窝密封泄漏率的影响。结果表明：迎风倾斜孔型蜂窝密封与直孔型和斜齿迷宫密封相比,泄漏率有望显著降低,并探讨了轴向倾角对倾斜孔型蜂窝密封泄漏量的影响机理。     

自调逆滞流迷宫密封动力特性研究

为抑制密封腔内流体的周向流动和提高系统稳定性,提出一种自调逆滞流迷宫密封结构。通过在密封齿上设计微型逆滞喷管,连通相邻密封腔,利用相邻密封腔室压差产生逆向射流,对密封腔周向流动进行自调。采用基于微元理论的迷宫密封动力特性系数识别方法,研究了逆滞喷管布置位置、进口压力和转速对迷宫密封动力特性的影响,并与原迷宫密封进行对比。结果表明:在高涡动频率下自调逆滞流迷宫密封有效阻尼系数为原迷宫密封的170%;自调逆滞流迷宫密封的稳定性随转速和进口压力的提高而提高;在迷宫密封进口段布置逆滞喷管可有效提高系统稳定性;逆滞喷管的布置对泄漏量影响较小。     

贯通与间隔式逆滞流迷宫密封动力特性研究

提出贯通式与间隔式两种新型逆滞流迷宫密封结构,通过在密封齿上设计微型逆滞喷管,贯通相邻密封腔,利用自然压差产生逆向射流,产生滞止效应,抑制密封腔内周向流动。应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法研究两种逆滞喷管密封动力特性,并与传统迷宫密封进行对比。研究表明:逆滞流迷宫密封产生的反旋流对抑制密封腔内周向流动具有较好的效果;间隔式较贯通式逆滞流迷宫密封具有更高的稳定性,高涡动频率下有效阻尼可达原结构的200%;逆滞喷管的布置增加了原结构密封的泄漏量,但可通过调节周向逆滞喷管数量,满足机组对稳定性需求的同时具有相对较低的泄漏量。     

贯通式袋型阻尼密封动力特性影响因素研究

采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)方法建立了贯通式袋型阻尼密封(fully partitioned pocket damper seal,FPDS)三维数值模型,并研究密封齿数Nb、密封齿厚度b及主/副腔室长度比λ对密封动力与泄漏特性的影响。结果表明：FPDS有效阻尼Ceff与直接刚度K的频率依赖性较高,直接阻尼C与交叉刚度k的频率依赖性较低且随着涡动频率的增加而降低;有效阻尼Ceff随齿数、密封齿厚度的增加而增大,而主/副腔室长度比对Ceff影响相对较小,在研究工况范围内,Nb=12时Ceff最高,较原始模型平均提高约12.69%,密封齿厚度b=5.048 mm时有效阻尼Ceff为原始模型的111%~138%,当主/副腔室长度比λ=5.1时有效阻尼Ceff仅为原始模型95%~105%;FPDS泄漏量随密封齿数减小而急剧增加,且主/副腔室长度比λ存在最佳值(λ=1)使密封泄漏性能最优,而密封齿厚度对密封泄漏量影响较小。     

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。     

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。     

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。     

迷宫密封转子动力学特性的数值模拟

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF(Bulk Flow)方法计算值进行了比较.研究结果表明:所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF方法.对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大.过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性.     

基于CFX的实验台迷宫密封动特性数值计算

为了配合汽流激振实验数据的验证,根据所建立的汽流激振实验台的结构参数,建立迷宫密封的二维几何模型。采用k-ε湍流模型进行数值模拟,通过数值仿真研究了实验密封件的密封特性。获得了齿顶间隙分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm和0.8mm的迷宫密封的动特性系数及泄漏量,对密封腔室内的流场进行了深入观察和分析。针对齿顶间隙为0.2mm的迷宫密封,分别计算了-60°、-45°、0°、45°、60°预旋下系统的动特性系数和泄漏量。研究结果可与后续实验数据进行比对,并为后续的汽流激振机理研究做准备。     

防旋板对迷宫密封转子动力特性影响的研究

采用基于多频涡动模型、动网格技术和数值求解三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程的方法研究了进口防旋板对迷宫密封转子动力特性系数的影响。对比分析了无进口防旋板、传统进口防旋板、反旋流进口防旋板和流线型进口防旋板的迷宫密封在不同涡动频率下的转子动力特性系数。研究结果表明:进口防旋板结构可以有效抑制泄漏流体的周向流动,提高迷宫密封的有效阻尼。流线型进口防旋板能够有效地改变迷宫密封进口旋流的流动方向,提高有效阻尼的能力最佳。     

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。     

转子轴向偏移对交错齿迷宫密封动力特性的影响

为了分析汽轮机转子轴向偏移对交错齿迷宫密封动力特性的影响,建立了交错齿迷宫的三维CFD模型,并利用Fluent软件计算了在不同轴向偏移下的转子表面汽流力,得到了不同的动力特性系数.结果表明:交错齿迷宫密封的转子从中间位置逆着汽流方向发生轴向偏移后,系统的稳定性提高;反之,如其从中间位置沿着汽流方向发生轴向偏移后,则系统的稳定性降低.为此提出:在汽轮机安装时,使转子逆汽流方向有一定的热膨胀预留量,可提高系统的稳定性.     

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。     

螺杆膨胀机端面压力分布及轴封结构参数研究

为了研究螺杆膨胀机吸气端面泄漏特性,建立了端面压力非均匀分布模型与轴封泄漏模型,探究结构参数对轴封泄漏的影响。以应用最为广泛的迷宫密封为例,分析了齿顶间隙、空腔深度、空腔宽度和吸气端面间隙4个主要结构参数对轴封性能的影响。结果表明：轴封泄漏量随着端面间隙和齿顶间隙的增大而增大,随空腔宽度的增大而减小,且存在最佳深宽比,约为0.16;螺杆机械端面间隙对轴封泄漏量的影响最大,齿顶间隙、空腔宽度和空腔深度次之。     

燃气轮机迷宫-刷子密封泄漏特性的试验研究

为研究典型迷宫-刷子密封结构的泄漏特性,搭建了研究密封泄漏特性的试验平台,进行了变高低齿齿隙、变刷子间隙、变压比、变转速等泄漏特性试验.试验结果表明:迷宫-刷子密封的流量系数随着刷子密封的相对间隙增大而增大,且增大到某一值时(0.7～0.8)与原常规的迷宫式密封流量系数相同;相同的刷子密封间隙下,流量系数随着压比的增大...     

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