刷密封内流动与密封特性的研究

应用阻抗力表示刷丝内气体流动的体积力,建立了刷密封内流动的流体动力学模型，将以速度压力为原始参数的偏微分方程转化为涡度输运方程和流函数方程，用有限差分法数值迭代计算，得到了刷密封的流场速度和压力分布，分析了刷密封结构对密封特性的影响。计算实例与试验值误差小于8%。     

汽轮机刷式汽封设计

介绍了刷式汽封的研究与应用发展状况,阐述了刷式汽封的基本结构,分析了刷式汽封与传统梳齿密封不同的密封机制和密封效果.根据某国产汽轮机高压缸前端轴封参数对刷式汽封泄漏量进行计算,并对结构参数、材料进行选择.     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑闭合效应的刷式密封泄漏特性研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型的Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的数值方法研究实验测量的零间隙和具有间隙的刷式密封在不同压比和转速下的泄漏特性,提出针对刷式密封闭合效应的间隙修正公式。考虑闭合效应后具有间隙的刷式密封泄漏量的预测结果与实验数据吻合,验证所建立刷式密封闭合效应修正模型的有效性。研究结果表明:刷丝束顶部与转轴间的间隙导致刷丝束内部压力降低且具有较为明显的径向压差,径向压差的存在导致刷丝束产生闭合效应,进而减小了刷式密封的有效密封间隙;闭合效应使得刷式密封有效间隙随着压比升高而减小,数值计算刷式密封泄漏特性时考虑闭合效应可以显著提高预测精度;在相同压比和转速下,具有间隙的刷式密封的泄漏量明显大于零间隙刷式密封的泄漏量;刷式密封的泄漏量随着压比的增大而增大;在所研究的转速范围内转速对刷式密封的泄漏特性的影响有限。     

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%。     

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。     

端面刷式密封的制备及试验研究

在对刷式密封制造工艺进行调研的基础上,自制了新型端面刷式密封环.在自制的实验台架上,对端面刷式密封进行了性能测试,得到了反应端面刷式密封静态和动态密封能力的泄漏曲线,将端面刷式密封性能试验结果与文献上其他种类密封实验结果进行比较,证明了端面刷式密封可以满足设计要求,比常规刷式密封更具优越性.     

非金属刷式封严泄漏特性试验与仿真研究

以碳基纤维材料为刷丝制备一种新型非金属刷式封严,搭建专门装置评估该刷式封严的封严性能和流动特性;采用多孔介质模型模拟刷丝束区域,并仿真计算获取该封严的泄漏和内部流动特性。试验与仿真研究均表明,压差增加导致泄漏增加,转速对泄漏影响不明显;仿真计算结果表明,压差主要发生在刷丝束区域,压差越大,后腔射流形成的旋涡强度越大;耐久性试验表明,经初始磨合过后,刷式封严性能较稳定,满足封严要求,但经更长时间的耐久性试验后,碳基纤维刷丝刷式封严性能出现严重下降,表明其耐久性仍有待提高。     

Design considerations towards the construction of hybrid floating brush seal (HFBS)

The hybrid floating brush seal (HFBS) represents an advance in brush seal technology by combining brush seal and film riding face seal technologies to create a hybrid seal that allows both axial and radial excursions of the sealed shaft without damage to seal integrity. At the same time, it eliminates interface surface speeds between the rotor and the brush bristles. This accomplishment is possible because the brush seal, which forms the primary seal, rotates with the shaft, while floating against a hydrodynamic face seal surface, which makes up the secondary seal. The present paper presents continuation work (Int J of Rotating Machinery, 7, 2002) and will concentrate on the methodology of (i) designing and choosing brush characteristics, and (ii) the design of the face seal that allows the floating of the brush plates against it. The brush simplified analytical model predicts the effects of centrifugal force on the bristles and allows implementation of a methodology for choosing and optimizing bristle geometry. The face seal design concentrates on ensuring seal integrity and dynamic stability of the entire assembly.     

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.     

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。     

挡板结构对刷式密封泄漏流动特性的影响

为研究前后挡板结构对刷式密封压力和流场的影响规律,采用非线性Darcian多孔介质模型,分别建立6种不同前后挡板结构的刷式密封求解模型,通过与相关实验数据对比,验证模型的合理性,采用ANSYS软件对刷式密封进行数值分析,研究不同前后挡板结构下的刷丝束压力和流场分布特性。研究结果表明：压比和挡板结构对刷式密封封严性能起到关键作用;刷式密封的泄漏量随着压比增大而增大,长前挡板结构能够减小泄漏量,基本型和环形腔型后挡板结构的泄漏量基本没有区别,通腔后挡板结构会使泄漏量显著增长;长前挡板结构能够减小刷丝束内压力,后挡板结构对刷式密封的压力分布起到决定作用;通腔后挡板能够消除部分径向压力梯度,提高刷式密封寿命,但会造成泄漏量增长。     

Comparison of Leakage Performance in Three Types of Gas Annular Seals Operating at a High Temperature (300°C)

Adequate sealing in rotating machinery reduces secondary leakage and results in more efficient and stable systems. Labyrinth seals are most common, although brush seals are popular in specialized applications. The hybrid brush seal (HBS) is a novel design that adds to the bristle brush matrix a number of cantilever pads that rest on the rotor surface. Upon shaft rotation the pads lift due to the generation of a hydrodynamic gas film, and the brushes effectively seal an upstream pressure. Hence, the HBS has no wear and no local thermal distortion effects. This article presents measurements of leakage versus pressure differential obtained in a three-tooth labyrinth, a conventional brush seal, and a hybrid brush seal for operation at high temperature (300°C) and with shaft surface speeds to 26 m/s. The measurements demonstrate that the HBS leaks ～ 31% less than a standard brush seal and is significantly better (～ 68%) than a similarly sized labyrinth seal. As temperature increases, the labyrinth seal leakage decreases because its clearance changes due to the thermal growth of the components. The HBS, on the other hand, shows leakage that is nearly insensitive to air inlet temperature. The measurements demonstrate HBS as a reliable seal technology for use in gas turbines, for example.     

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。