斯特林机动力活塞间隙密封动态特性仿真分析

在自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封中,间隙内的气体泄漏会引起工作腔内压力和气体质量的变化,进而影响斯特林机的工作效率。为研究在压缩循环过程中气体泄漏量对压力的动态影响,建立间隙密封长度不变、间隙密封长度单侧变化和间隙密封长度双侧变化3种不同的间隙密封物理模型,采用时间推进法,分析求解不同形式的密封对泄漏量的影响。结果表明：间隙密封在启动阶段时单向泄漏量最大,随着时间的推进,泄漏量逐渐减小后达到稳定,间隙密封长度不变的模型相较于其他2种模型的单向泄漏量最少。基于间隙密封长度不变的模型,分析气膜厚度、背压、密封长度对泄漏量的影响,对气膜间隙和背压进行优化设计。结果表明：气体质量的泄漏随气膜厚度和背压的增加而增加,随活塞长度的增加而减小;当气膜间隙为20~30 μm,活塞长度为10~15 cm,背压在3~5 MPa时,间隙密封泄漏量在3%以内,符合动力活塞间隙密封的设计要求。分析结果为自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封提供了设计依据。     

自由活塞斯特林发动机动力活塞气体作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机动力活塞的运行特性,找到提高自由活塞斯特林发动机效率的方法,对配气活塞固定不动时的动力活塞的气体作用效应进行了理论分析,并设计了动力活塞的单独运动实验,在此基础上提出了动力活塞自然频率的计算公式。研究了压缩腔压力波超前与滞后动力活塞位移两种情况下动力活塞受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统自然频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统自然频率减小,且热源温度越高,系统的自然频率越大。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,利用此理论计算系统自然频率和实验相差不超过2%,使得斯特林发动机成功启动。     

斯特林发动机配气活塞气体的作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机配气活塞的运动特性,对动力活塞固定不动时的配气活塞的气体作用效应进行了分析,并设计了配气活塞的单独运动实验,在此基础上提出了配气活塞固有频率的计算式。分析了工作腔压力波超前与滞后配气活塞位移两种情况下受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,认为一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统固有频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,认为一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统固有频率减小。热源温度越高,系统的固有频率越小。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,且利用此理论计算了系统固有频率的准确性。     

间隙密封高频往复运动活塞偏移特性研究

在间隙密封下的高频往复运动活塞组成的热力机械中,活塞平衡位置发生偏移的现象称为活塞偏移现象,这一现象普遍存在。对于线性压缩机和自由活塞斯特林发电机,活塞偏移将导致板簧容易断裂、输出效率下降甚至发生撞缸等严重后果。为研究间隙密封活塞偏移的内部机制以及其影响因素,建立间隙流场的流动泄漏模型,并通过数值模拟验证模型准确性。以百瓦级自由活塞斯特林发电机活塞的密封结构为研究对象,建立热力学和动力学耦合模型,分析间隙和外力对活塞偏移的影响规律。研究表明：一个周期内通过间隙的净泄漏量大于0是导致间隙密封活塞发生偏移的根本原因;在一定条件下,间隙和外力越大,活塞偏移越明显。     

斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析

斯特林发动机的密封关键是气缸与活塞的间隙密封,能否有效地将其密封直接影响了斯特林发动机的性能与可靠性。斯特林发动机采用间隙密封,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,但由于间隙内气体的泄漏,引起了工质的损失。建立了层流工况下斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的数学物理模型,推导了密封间隙的泄漏量。再考虑由于实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量,最后与理想条件下的泄漏量进行比较,得出结论:实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量较理想状态下泄漏量大。     

斯特林发动机活塞环密封摩擦副法向力研究

针对一种斯特林发动机组合式活塞环动密封结构,根据系统运行及气体密封泄漏机理,考虑密封结构的各个设计参数及密封材料的物理特性,结合密封摩擦副的工况条件,再基于一定的假设及近似等值取代,构建了一套活塞环密封摩擦副正压力的计算公式。     

基于Kriging模型的斯特林发动机密封腔压力多目标优化

为提高斯特林发动机活塞杆动密封结构的密封性能,减少密封结构的磨损量,以某型斯特林发动机为对象,将其密封腔压力作为优化变量,分别以动密封环的磨损量,密封环与活塞杆的接触应力为响应指标,构建活塞杆密封环的磨损性能和密封性能Kriging模型;以提高密封结构密封性能,降低密封结构磨损量为优化目标,以构建的Kriging模型为目标函数,建立斯特林发动机密封腔压力多目标优化模型。使用NSGA-Ⅱ算法对密封腔压力值进行多目标寻优,得到斯特林发动机密封腔压力的优化值为6.95 MPa。利用斯特林活塞杆密封性能试验平台进行试验,结果表明:优化的密封腔压力在保证活塞杆密封结构密封性能的同时,能够有效减少密封环的磨损量。     

转子密封系统反旋流数值分析及实验研究

应用CFD软件FLUENT对带有反旋流的转子密封系统进行数值分析,运用Muszynska理论分析反旋流喷嘴数量与反旋流喷嘴流体入口速度对流体激振的影响,并进行实验验证。数值分析与实验研究的结果均表明,反旋流抑制流体激振是通过控制密封腔内流体的周向速度而实现的。在反旋流装置中,反旋的喷嘴数量越多,密封腔内流场越稳定,越有利于抑制流体激振的发生;反旋流的反旋速度存在一个最优值,在该反旋速度下能有效地抑制周向速度,且能避免流体反向的周向旋转而造成的更大振动。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

端面气膜密封的泄漏流特性

对面气膜密封的密封坝不带自由流的优越结构,其径向泄漏所流行应用的经典理论计算,结果偏高,误差较大。本文将采用修正准一维可压流分析方法,考察有关压差,坝宽,膜厚及旋转效应对径向泄漏流大小及其出现阻塞流的影响。     

斯特林机活塞杆帽式密封结构改进研究

为解决斯特林机活塞杆处介质泄漏的问题,对其帽式密封结构进行改进,并利用有限元分析软件ANSYS建立其二维轴对称模型;基于实际运行工况,分析比较改进密封结构的性能指标,并通过改变边界条件,探究介质压力、摩擦因数及活塞杆运行速度对改进密封结构性能影响规律。结果表明：改进的密封结构消除了原有结构O形圈的应力集中问题,提高了最大接触应力,且在增加有效密封面积40%的同时又将O形圈的最大等效应力降低了近50%;3个关键参数中介质压力对密封性能的影响力最大,对于改进密封结构,在介质压力为6～8.5 MPa时其密封性能最佳。     

自由活塞斯特林发动机运行频率

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明：优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35 Hz提高到60 Hz。     

轴向柱塞马达柱塞副泄漏流量的计算与分析

以某型号的轴向柱塞马达为研究对象,分析了其柱塞副的泄漏流量以及柱塞和缸孔的单边配合间隙对泄漏流量的影响,最后还探讨了影响配合间隙的主要因素,为柱塞副的设计提供了参考。     

发动机活塞机体耐磨性能的金相分析

为提高发动机活塞表面的耐磨性能,分析了活塞的基体组织。试验表明：活塞的基体组织以细粒状珠光体或回火索氏体、石墨呈细小均匀分布为佳。     

液压约束活塞发动机的流量脉动仿真分析

为研究间隙误差对液压约束活塞发动机流量脉动的影响,在ADAMS中建立其含有间隙误差的主运动系统动力学模型,将ADAMS中得到的模型数据导入AMESim中,建立液压系统模型。通过对比不同间隙误差模型的参数输出,分析间隙误差对系统流量脉动的影响。研究结果表明,在一定范围内,间隙误差对流量脉动有明显的影响,并随着间隙误差的增大而增加;而且,连杆大头和曲轴曲柄之间转动副径向间隙误差对系统流量脉动的影响最大。     

径向柱塞泵柱塞副泄漏流量的计算

考虑到流体的粘度随压力及温度变化,柱塞内油液压力随吸油压力和排油压力交变,密封长度也随柱塞在缸孔中的位置而变化,及柱塞运动引起的剪切流量等因素,通过积分方法,对新型径向柱塞泵中柱塞副的环形间隙泄漏流量计算公式进行修正,得到了柱塞副泄漏流量修正系数。     

内燃机活塞环组密封性能研究

为检验活塞环的密封性,进一步研究其摩擦学性能,建立内燃机环组密封数值仿真模型,模型中考虑气室体积、泄漏面积、内燃机运转工况和气室温度变化项等因素对活塞环密封性能的影响.以PA6-280柴油机为例,对活塞环组的密封性能进行仿真计算.结果表明,磨损对环组的密封性能影响很大,而工况对活塞环的密封性影响不是很明显;气室温度变化项对活塞环漏量影响较大,设计时不容忽视.     

液压缸活塞变间隙密封结构形状研究

变间隙密封液压缸的核心部位是活塞唇边,间隙的变化主要体现在活塞唇边变形上。应用弹性力学中悬臂梁结构的应力函数解对唇边变形进行理论分析,推导出了唇边变形公式。利用有限元软件仿真模拟不同的唇边结构在不同压力工况下的变形情况,找到了变间隙密封活塞唇边变形特点和影响因素。比较了实验测试变间隙密封液压缸内泄漏量与理论变形曲线计算的泄漏量,结果显示两者误差在允许范围内,证实了仿真的正确性。     

活塞喷油冷却流场数值模拟

近年来,随着柴油机排放及功率要求的提高,柴油机热负荷显著的增加,其中活塞热负荷问题成为柴油机进一步强化的主要限制因素之一。对于高热负荷活塞,通常采用冷却通道的办法来降低活塞温度。使用CFD工具获取表面换热系数已越来越多的用于温度场的计算,本文通过流动计算获取冷却通道壁面及活塞底面的换热系数,并分析喷油冷却流场计算结果,提出改进措施。