风电齿轮箱迷宫密封泄漏量分析及结构优化设计

为了分析某风电齿轮箱内迷宫密封各参数对泄漏量的影响,利用数值模拟和构建代理模型对迷宫密封的泄漏行为开展了研究。首先,根据风电齿轮箱三维实体模型构建了其迷宫密封三维流场模型;然后,基于FLUENT软件,通过单一变量法研究了迷宫密封泄漏量随进出口压力比、润滑液动力黏度、高速轴与低速轴的转速和迷宫密封的密封齿间隙的变化规律;最后,构建了径向基神经网络(RBF)代理模型,在该代理模型的基础上,在影响迷宫密封性能的因素中,选取了密封间隙、密封腔体高度和密封腔体宽度三个结构参数作为设计变量,以迷宫密封的最小泄漏量和出口最大速度为优化目标,使用非劣分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)获得了最优解。研究结果表明：迷宫密封泄漏量受两个转轴的转速影响很小;泄漏量与进出口压力比、密封间隙成正比,而与润滑油动力黏度成反比;求得最优解对应的参数所对应泄漏量减小了47%,出口最大速度降低了36%,数值模拟与优化理论计算结果一致。该结果可为研究迷宫密封泄漏量的影响特性提供理论依据。     

迷宫密封结构多参数耦合优化方法

提出基于移动渐进线算法(MMA)求解策略的迷宫密封多结构参数优化设计方法。以某立式迷宫压缩机活塞与气缸间的迷宫密封结构为优化对象,以节流间隙、空腔深度、齿型夹角等主要尺寸参数为设计变量,针对泄漏量最小化的目标函数,建立迷宫密封结构多参数优化模型;针对该数学优化模型,推导了与之相应的设计变量关于目标函数的灵敏度分析公式;基于MMA算法求解复杂非线性规划问题的优势,采用MMA算法求解提出的优化模型,并获得良好的设计结果。     

高速齿轮箱迷宫密封泄漏量正交仿真试验优化

以某型号高速动车组传动齿轮箱大齿轮电机端的迷宫密封结构为研究对象,运用Fluent建立带有扩散空腔的迷宫密封二维轴对称有旋流动模型,对迷宫密封泄漏量进行模拟仿真,指出现有结构存在密封间隙略大、齿顶角度较大、空腔深度较浅的不足。采用Design-expert 8.0软件设计仿真方案,通过分析密封间隙、齿形角度、密封齿数、密封空腔深度及传动轴转速对迷宫密封泄漏量的影响,得到一组使泄漏量最低的最优参数。结果表明:单因素对迷宫密封泄漏量影响的强弱顺序依次为密封间隙、空腔深度、齿数、角度,转速对泄漏量几乎没有影响;交互作用影响因素中,密封间隙和空腔深度对泄漏量影响大于密封间隙和齿数。通过重新建模仿真验证了利用Design-Expert 8.0软件设计迷宫密封泄漏量仿真试验方案和进行迷宫密封参数优化是可行的。     

基于二次回归正交试验的迷宫密封优化设计

基于二次回归正交试验,结合数值模拟方法,研究各结构参数及其共同作用对迷宫密封泄漏量的影响,并建立可靠且不失拟的回归方程对迷宫密封的结构参数进行优化。正交试验结果表明:汽封腔深、凸台高度、汽封齿厚和齿顶间隙对泄漏量均有较大的影响,其中齿顶间隙对泄漏量的影响最为显著;四者之间的交互项对泄漏量也有一定的影响且存在着使泄漏量最小的最佳结构参数。通过检验,回归方程具有较好的显著性和不失拟性。通过对优化前、后迷宫密封内流场特性的分析可知:优化后的迷宫密封齿顶熵增升高、能量耗散大、腔室内平均速度低、惯性作用弱,从而具有更好的阻漏作用。     

高速列车齿轮箱迷宫密封性能分析优化

基于经验公式,采用流场分析软件FLUENT计算方形迷宫密封的泄漏量;分析方形迷宫密封轴转速、间隙、空腔深度、空腔宽度对其泄漏量的影响,分析圆形迷宫密封、菱形迷宫密封的性能,并将上述分析结构应用于高速列车齿轮箱迷宫密封。研究结果表明:方形迷宫密封泄漏量随着间隙宽度的增加而增加,随着轴转速、空腔深度、空腔宽度的增加而减少;圆形密封随着空腔半径的增加、菱形密封随着空腔夹角的增加其泄漏量均减少;相同工况、截面积的方形、圆形、菱形迷宫密封中,圆形空腔迷宫密封泄漏量最小。根据分析结果对高速列车齿轮箱迷宫密封进行优化,优化后迷宫密封泄漏量明显减小。     

透平压缩机迷宫密封泄漏量的数值仿真研究

给出了适用于透平压缩机迷宫密封泄漏量的修正模型,并用修正模型对变结构参数下的泄漏量进行规律研究.通过采用工程常用迷宫密封泄漏量理论公式,计算了不同压比下透平压缩机典型平滑型和曲折型迷宫密封流量系数,对比了试验结果,修正了流量系数值;在此基础上,进一步研究了不同间隙和齿数下泄漏量的规律,以研究参数变化对泄漏量的影响.研究结果表明:对于平滑型密封结构,修正模型的修正系数可选择在0.8~1.2;对于曲折型密封结构,修正模型的修正系数可选择在0.7~0.8.本文提供了一种较为准确、工程性的透平压缩机迷宫密封泄漏量模型的修正系数.     

基于FLUENT技术迷宫密封的结构优化

以压缩机迷宫密封为研究对象,利用FLUENT模拟气体在迷宫密封中的内部流动,分析了气体在迷宫密封中的速度与压力分布,并研究了间隙宽度和空腔深度对迷宫密封泄漏量的影响,提出了4种不同尺寸的迷宫密封结构,分别得到在不同模型下泄漏量与压差之间的变化规律,其中模型D有效减少了迷宫密封的泄漏量,提高了密封性能。     

基于瞬态有限元的齿轮箱迷宫密封泄漏研究

针对某高速列车齿轮箱迷宫密封的润滑油泄漏问题,基于ANSA软件建立齿轮箱及迷宫密封结构的有限元模型,并采用FLUENT软件对其进行多相流瞬态仿真分析,研究迷宫密封结构的相对啮合深度、节流齿厚、径向间隙、回油孔直径及个数、齿与台阶距离、齿宽、密封间隙对润滑油泄漏量的影响。结果表明：当相对啮合深度大于0.5时,润滑油泄漏量与相对啮合深度呈负相关;润滑油泄漏量与节流齿厚、回油孔直径、回油孔数量呈负相关;润滑油泄漏量与径向间隙、齿宽、齿与台阶距离、密封间隙呈正相关。根据研究结果对迷宫密封结构进行改进,改进后的迷宫密封结构润滑油泄漏量降低为原始泄漏量的3.6%。     

密封齿对侧开槽对迷宫密封泄漏特性的影响

为了降低迷宫密封的泄漏量,提出一种在直通型迷宫密封的密封齿前端和后端设立凹槽的密封结构,基于CFD方法,建立迷宫密封数值仿真模型。通过与已有试验数据的对比,验证模型的正确性。探讨不同湍流模型的适用范围,并对比光滑表面、前置凹槽、后置凹槽3种结构在泄漏量、轴向压降及流场速度分布的差异性。结果表明:SST湍流模型更加适用于迷宫密封这种窄间隙的近壁面流动;前置凹槽结构降低泄漏量的效果较差,只有在高压力差下才能降低泄漏量;后置凹槽结构能改变迷宫密封腔内漩涡方向及状态,进而降低迷宫密封透气效应,加剧密封的能量耗散的同时降低泄漏量。因此,后置凹槽的迷宫密封结构具有较好的工程应用前景。     

迷宫密封磨损失效泄漏特性和防碰磨结构设计研究

针对某单级高速离心鼓风机轴端迷宫密封碰磨失效的问题,基于工程实际迷宫密封齿磨损图样,建立了迷宫密封齿弯曲磨损失效模型,提出了"齿顶凹槽"迷宫密封防碰磨结构设计方法。采用实验校核的定常求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的数值方法,研究了密封齿弯曲磨损和"齿顶凹槽"防碰磨结构对迷宫密封泄漏特性的影响规律。计算分析了4种弯曲磨损系数B=0,0.1,0.2,0.3,4种凹槽径向深度H/s=0.5,1.0,1.5,2.0和5种凹槽轴向宽度L/s=2.2,2.5,3.0,3.5,4.0的迷宫密封的泄漏量、密封腔流场结构,获得了迷宫密封碰磨失效的判断依据和"齿顶凹槽"防碰磨结构的优化参数。结果表明:鼓风机变工况时,迷宫密封泄漏量随进口压力的增大而线性增大;相同运行工况下,密封泄漏量随密封齿弯曲磨损程度的增大而显著增大;当密封齿磨损量达到B≥1.0时,密封泄漏量达到了设计值的2倍,无法满足机组运行对轴端封严的要求,即发生了密封磨损失效;齿顶凹槽防碰磨结构设计不仅能适应转子的径向振动和轴向窜动,在一定程度上避免迷宫密封磨损失效,还可以减小密封泄漏量(约10%),提高密封的性能。     

螺旋槽动压密封液膜汽化相变性能优化分析

针对螺旋槽动压密封液膜发生汽化相变后,严重影响密封运行的可靠性和稳定性的问题,基于密封端面液膜汽化相变,建立了其数值计算模型。采用了以泄漏量和开启力两个密封性能参数为优化目标,螺旋角、槽数、槽深、槽坝比和槽堰比5个密封端面结构参数为变量的五因素、五水平的正交优化试验方案;研究了密封端面液膜汽化相变下,不同密封端面结构参数对密封性能的影响规律。研究结果表明:密封结构参数对泄漏量和开启力的影响灵敏度不同,设计的正交试验方案可以有效地对密封性能进行优化,可为此类工况下的密封装置的结构优化设计和实际操作提供参考。     

多变量双侧齿迷宫密封泄漏量模拟分析研究

针对目前主要以单侧齿、单一变量变化研究迷宫密封泄漏量所存在的不足,本文以多变量函数理论为基础,以双侧齿迷宫空腔结构多参数变化对迷宫密封性能影响为研究对象,对双齿侧、双变量变化的迷宫密封泄漏量进行研究。通过对迷宫密封流场中三角形齿和矩形齿的深宽比、密封间隙、齿数等参数变化的模拟研究表明,本文所提出的方法与原计算方法相比,计算精度高3%⁵%。     

基于CFD的双侧迷宫密封结构气缸侧密封齿优化

针对压缩机迷宫密封内部流场与泄漏量问题,对双侧迷宫密封结构中的气缸侧密封齿展开优化研究。设计三角形、矩形、摆线形3种气缸侧密封齿结构,选用不同的气缸与活塞侧密封齿的齿高、齿宽、密封齿间隙的几何比例（1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6）,建立不同结构的双侧密封齿密封模型,对其密封性能进行CFD动网格瞬态模拟,并与单侧密封齿密封结构进行了比较。结果表明：双侧密封齿密封结构的泄漏量相比单侧密封齿密封结构下降了25.8%~56.0%;3种不同形状的气缸侧密封齿密封性能由高到低依次为三角形、矩形、摆线形;不同几何比例的气缸侧密封齿模型中,密封性能从强到弱排列为1∶4、1∶5、1∶2、1∶6、1∶3。气缸侧与活塞侧迷宫齿几何比例为1∶4的三角形气缸侧密封齿结构的密封性能最优,相比单侧密封齿密封结构泄漏量下降了56%。     

燃机曲折型迷宫密封的泄漏特性研究

以F级燃气轮机中曲折型迷宫密封为研究对象,对其内部流场和泄漏特性进行数值模拟,研究密封间隙、压比对迷宫密封泄漏特性的影响。结果表明：在相同密封间隙下,泄漏量随着压比的提高而增加;相同压比下,泄漏量随着密封间隙的减小而减少。基于数值计算结果,对现有迷宫密封泄漏量计算公式进行修正,建立曲折型迷宫密封的泄漏量计算公式。该公式计算结果与CFD数值模拟结果吻合很好,和同类公式相比,能够更为精确地计算该类型密封结构的泄漏量。     

转/静子齿对迷宫密封泄漏特性与动力特性影响机制研究

迷宫密封齿设计于转子或静子上对迷宫密封的性能影响较大.为揭示转/静子齿对迷宫密封泄漏特性与动力特性的影响机制,应用非定常动网格技术建立了迷宫密封泄漏特性与动力特性多频椭圆涡动求解模型,在验证求解模型准确性基础上,分析转/静子齿迷宫密封的泄漏特性与动力特性,并讨论2种结构对迷宫密封转子系统稳定性的影响.结果表明:转/静子...     

新型矿用排水泵入口段口环密封结构优化研究

以某型号矿用排水泵入口段口环密封为研究对象,采用数值仿真方法,研究排水泵迷宫密封内部流动特征,分析迷宫密封结构尺寸与形状对其泄漏量的影响。结果表明:迷宫的间隙尺寸对密封性能的影响最大,间隙宽度和节流齿宽度的变化将导致泄漏量的大幅变化;相比直齿结构迷宫密封,异形齿结构有利于湍流充分发展,从而可以提高密封性能;通过分析复杂迷宫密封的内部流场,得到适用于排水泵的优化的迷宫密封结构。     

燃气机曲折型迷宫密封的泄漏特性

以F级燃气轮机中曲折型迷宫密封为研究对象,对其内部流场和泄漏特性进行数值模拟,研究密封间隙、压比对迷宫密封泄漏特性的影响。结果表明:在相同密封间隙下,泄漏量随着压比的提高而增加;相同压比下,泄漏量随着密封间隙的减小而减少。基于数值计算结果,对现有迷宫密封泄漏量计算公式进行修正,建立曲折型迷宫密封的泄漏量计算公式。该公式计算结果与CFD数值模拟结果吻合很好,和同类公式相比,能够更为精确地计算该类型密封结构的泄漏量。     

凹槽迷宫密封封严特性的数值研究

采用计算流体动力学软件、RNG k-ε模型、Simple算法和结构化网格,研究不同间隙、压比、转速等工况下密封表面凹槽结构对凹槽迷宫密封三维流场和泄漏流动特性的影响。结果表明:凹槽迷宫密封的凹槽结构可以更加充分地耗散气体的动能,从而有效地阻滞气体流动,减小气体的泄漏;迷宫密封的泄漏量随间隙的增大而增大,但凹槽迷宫密封泄漏量和泄漏量增加率都小于普通迷宫密封;随着压比的增大,凹槽迷宫密封的泄漏量有所增加,但相比于普通迷宫密封,其泄漏量增加的趋势在逐渐减小;随着转速的增加,凹槽迷宫密封更容易在凹槽内形成气旋效应,从而使其封严性能显著提高。     

基于正交试验的迷宫密封性能分析研究

针对影响往复迷宫压缩机密封性能因素,探究迷宫密封泄漏量与影响因素之间的关系。本文结合FLUENT软件中的动网格技术和正交试验法,对影响迷宫密封泄漏量的关键参数进行对比分析[1,2],从而获得该模型的最优方案,通过模拟仿真和理论计算验证其正确性。结果表明:迷宫密封参数对泄漏量的影响程度的大小顺序为:密封间隙、进出口压比、空腔深度、活塞速度,该模型的最优方案为间隙0.3mm、进出口压比3、空腔深度1.0mm、活塞速度5m/s。     

迷宫密封内部结构尺寸变化对泄漏量的影响

采用GAMBIT软件建市迷宫通道的二维非结构化网格模型,利用FLUENT模拟迷宫密封的内部流动,分析空腔深度、间隙宽度、节流片的倾斜角对迷宫密封性能的影响,得到较为优化的迷宫密封结构.结果表明:间隙宽度增加,迷宫密封泄漏量逐渐增大,空腔深度和节流片倾斜角增大,泄漏量减小;间隙宽度和空腔深度对密封性能影响较大,而节流片倾斜角的影响较小.