基于2维叉排管束模型的刷式密封介质流动计算

为了计算刷式密封的介质流动,建立了刷丝束截面的2维紧凑叉排管束模型,并利用计算流体动力学(CFD)方法求解。研究了刷丝束截面泄漏流的压力和流速分布及压差、刷丝轴向排数和管距对泄漏特性的影响。结果表明:基于周向1排与周向6排刷丝的模型所计算的压力和流速基本吻合,各数据点的误差均小于3%,所计算的压力梯度结果与转子表面压力测量结果基本吻合。0.2MPa下,最下游刷丝的压降和最高流速增量分别大约是上游刷丝的6倍和8倍。压差增加会加剧最下游刷丝间隙处的压降和流速增量。出口平均轴向流速随着压差的增大而呈线性增长,随着刷丝轴向排数的增大而呈自然对数下降。减小刷丝管距可以在常见的压差和刷丝排数范围内显著提高密封效果。     

采用三维叉排管束模型的刷式密封泄漏特性研究

为准确预测刷式密封的泄漏流动以及阻力特性,提出了将多块结构化网格以及动网格技术应用于刷式密封的三维叉排管束模型。多块结构化网格的使用保证了刷丝束流体域与腔室间无需设置交界面,消除了因交界面的存在引起的插值误差。动网格技术能够实现刷丝束的整体轴向压紧。数值模拟得到的刷式密封泄漏量与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。研究了进出口总静压比(1.5,2.5,3.5)、密封间隙(0,0.1,0.2mm)以及轴向截距减小量(0～0.005mm)对刷式密封泄漏流动和阻力特性的影响规律,结果表明:轴向截距减小量的增大对于接触式刷式密封的泄漏量相对变化率具有支配作用;随着密封间隙的增大,轴向截距减小量的增大对间隙刷式密封的泄漏量相对变化率的影响逐渐减弱;具有间隙的刷式密封的流动阻力参数欧拉数远小于接触式刷式密封;密封间隙使得刷式密封泄漏流的压力能有效地转换为动能,增大了刷式密封的泄漏量。文中发展的三维叉排管束计算模型可为刷式密封封严机理和多场耦合分析提供技术手段。     

刷式密封传热特性研究

采用求解Non-Darcian多孔介质模型的完全雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和能量方程的方法,在考虑刷丝束内部空隙、安装角和转轴旋转效应下,数值研究了刷式密封的几何结构参数,即刷丝束厚度、干涉量,以及刷式密封的运行工况参数,即转速和压差等,对单级刷式密封传热特性的影响规律,刷丝束多孔介质的内部阻力系数是利用Eugrn方程推导并经过实验数据校准确定的.研究结果表明:刷丝束厚度内的温度沿轴向近似均匀分布,刷丝束围栏高度区域内的温度沿径向呈指数迅速下降;随着压差的增大,温度下降更加集中在刷丝束围栏高度区域内;随着热流量增加,最高温度呈指数迅速升高;随着刷丝束厚度增加,泄漏量减少,最高温度升高;随着转速提高和刷丝束与转轴间的干涉量增大,最高温度升高.     

两级刷式密封泄漏特性的实验与数值研究

基于刷式密封的泄漏量实验测试平台和Non-Dareian多孔介质方法的泄漏流动数值模型,详细研究了密封间隙、压比和转速对两级刷式密封泄漏流动特性的影响规律,分析了两级刷式密封的泄漏流动形态以及刷丝束表面的压力分布规律.结果表明:在相同的间隙和转速下,两级刷式密封的泄漏量随着压比的增加而增大;在相同的转速和压比下,两级刷式密封的泄漏量随着间隙的增加而增大;在相同的压比和间隙下,两级刷式密封的泄漏量随着转速的增加而减小.转子高速旋转时产生的离心伸长效应使密封间隙减小,因此数值计算时考虑转子的离心伸长效应对密封间隙的影响可以更加准确地预测两级刷式密封的泄漏量.     

基于多孔介质模型的刷式密封泄漏流动特性研究

采用数值求解基于多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程技术，对刷式密封内泄漏流动特性进行了详细的数值研究．根据刷式密封的泄漏量试验数据，确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数．利用所确定的渗透率系数，数值计算和分析了7种压比和5种径向间隙条件下的某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态，并且与迷宫式密封进行了比较．结果表明：在相同的压比下，刷式密封的泄漏量小于迷宫式密封；压比影响刷式密封的泄漏量，但对泄漏流动形态的影响可以忽略；径向间隙不仅影响刷式密封的泄漏量，而且影响泄漏流动形态；在相同的径向间隙下，压比越大则泄漏量越大；在相同的压比条件下，径向间隙越小则泄漏量越小．研究工作可对刷式密封在汽轮机中的应用提供理论依据和技术参考．     

考虑刷丝变形的后夹板结构对刷式密封泄漏和传热特性影响的研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型的三维RANS方程耦合有限元分析接触模型的数值方法,建立了考虑泄漏流气动力、刷丝间摩擦力以及刷丝与前后夹板间相互作用的刷丝变形预测模型,并对比分析了3种后夹板结构对刷式密封泄漏特性、力学特性和传热特性的影响。所建模型可为刷式密封刚化效应、摩擦热效应的研究以及先进刷式密封的设计提供一定的技术支撑。数值计算得到的刷式密封泄漏量与实验测量数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。研究结果表明:相比于典型后夹板结构的刷式密封,后夹板环形槽结构对泄漏量及压力分布影响较小;刷丝束所受到的轴向气动力随着压比的增大近似呈线性增大;后夹板环形槽增加了下游刷丝束的压力,减小了刷丝轴向变形量,可有效防止刷丝发生刚化效应,降低泄漏气流对刷丝束造成的扰动;刷式密封高温区出现在刷丝束与转子表面接触处,后夹板环形槽结构可有效改善刷丝束与转子内部的温度分布。     

动叶叶顶迷宫刷式密封的透平级气动性能研究

针对透平级叶顶泄漏损失大的问题,提出了将叶顶迷宫密封设计成迷宫刷式密封结构的设计方案,旨在减少叶顶泄漏量和提高气动效率。采用基于非线性多孔介质模型的RANS方程数值方法,研究了实验测量的迷宫刷式密封的泄漏量,数值预测泄漏量与实验测量数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。基于1.5级透平级动叶叶顶迷宫密封结构,将第1个、最后1个迷宫长齿设计成刷丝束的前置、后置迷宫刷式密封结构,对比分析了迷宫刷式密封刷丝束间隙为0～0.4 mm时,1.5级透平级的叶顶间隙泄漏量和气动效率。研究结果表明:前置、后置叶顶迷宫刷式密封在减少泄漏量和提高透平级气动效率方面相似;与叶顶迷宫密封相比,叶顶迷宫刷式密封在刷丝束间隙为0.4 mm时泄漏量减少了18%,透平级效率提高了0.6%;叶顶密封间隙损失主要包括腔室耗散和出口腔室黏性损失;相比于叶顶迷宫密封,叶顶迷宫刷式密封减小了气流相对偏转角,导致密封出口泄漏流与动叶出口主流掺混损失减少;叶顶迷宫刷式密封通过减少出口腔室黏性损失从而提高透平级气动效率。     

基于多相流理论高速动车组齿轮箱密封系统分析

为了研究高速动车组齿轮箱密封系统的密封机理,分析润滑油液滴和理想气体混合介质下迷宫密封的密封性能,建立某国产驱动齿轮箱输出端密封系统结构的计算模型,采用Euler-Euler双流体模型,通过数值模拟得到密封系统的内部流场,对比研究转子转速对混合介质下密封内部流场的介质分布影响,分析润滑油液滴体积分数和直径对密封结构泄漏量的影响。研究结果表明:密封间隙的直通效应、润滑油液滴分布于静子腔或转子腔以及空腔所处位置是影响迷宫密封性能的主要因素;随着转子转速的增加,润滑油液滴的泄漏量先上升后下降最后趋于稳定;润滑油液滴体积分数越高,直径越大,泄漏量越大;当液滴体积分数越高时,液滴体积分数对泄漏量的影响越小,呈非线性关系,但泄漏量随液滴直径的增大呈近线性关系增大。     

蜂窝叶顶密封对透平级气动性能的影响研究

采用数值计算方法研究了蜂窝叶顶密封的几何尺寸对汽轮机高压缸两级内气动性能的影响,分析了蜂窝密封的几何参数,包括密封间隙、蜂窝孔深、蜂窝孔径对透平级气动性能的影响规律。研究结果表明:随着蜂窝密封间隙的增大,动叶下游静叶内二次流损失增加,透平级内总总等熵效率下降,密封内泄漏量近似线性增加;随着蜂窝孔深的增大,总总等熵效率先增大后基本趋于定值,泄漏量则随孔深的增大先减小然后趋于定值;蜂窝孔径对透平级气动性能的影响主要取决于孔内和密封出口的泄漏流场结构,随着蜂窝孔径的增大,总总等熵效率逐渐增大,泄漏量逐渐减小;蜂窝密封间隙的变化对主流流场的影响显著,蜂窝孔径的变化对主流流场的影响次之,而蜂窝孔深对主流流场的影响较弱。     

刷式密封刷丝束与转子接触力的数值研究

采用线性悬臂梁和增强的拉格朗日法建立了单根刷丝与转子的接触力模型,同时考虑了刷式密封中刷丝与转子之间的接触力以及在转子横截面内流体对刷丝的均布力,探讨了刷丝的安装角度、刷丝与转子的干涉量、转子横截面内的流体均布力对刷丝与转子之间接触力的影响特性.研究结果表明:在所计算的参数范围内,刷丝的流体均布力对接触力的影响力远大于刷丝的安装角度和刷丝与转子的干涉量的影响力.当刷丝安装角小于35°时,刷丝与转子的接触力随着刷丝安装角的增大而略微减小;当刷丝安装角大于35°时,受转子横截面内流体对刷丝的均布力的影响,刷丝与转子的接触力随刷丝安装角的增加而增大.     

刷式密封迟滞特性的数值研究

采用非线性接触模型对刷式密封的迟滞特性及其影响因素进行了研究.采用点-面接触、梁-梁相交接触和梁-梁平行接触模拟了刷式密封中刷丝端部与转子表面接触、刷丝与背板边缘接触以及刷丝之间的接触,建立了刷式密封的非线性接触模型,并通过试验研究的刷式密封迟滞特性的数据验证了所建立模型的有效性.研究分析了刷丝径向刚度一定时,刷丝直径、刷丝长度和刷丝角度对刷式密封迟滞特性的影响规律,结果表明,刷丝端部压力计算值与理论值的比值可以更好地评定刷式密封迟滞特性的强弱.当刷丝直径保持不变时,随着刷丝角度的增加和刷丝长度的减小,刷式密封的迟滞特性越来越弱;当刷丝长度一定时,随着刷丝角度和刷丝直径的增加,刷丝的迟滞特性越来越弱;当刷丝角度一定时,不同刷丝直径和刷丝长度的刷式密封表现出相近的迟滞特性;当刷丝径向刚度一定时,刷式密封的迟滞特性强弱主要由刷丝角度决定.     

迷宫密封齿型对密封流场与泄漏量的影响

应用Fluent软件计算迷宫密封斜齿角度和三角齿型对迷宫密封流场和泄漏量的影响.计算结果与分析表明,迷宫密封齿型对密封不可压缩流体流场和泄漏量有一定的影响,随着密封齿倾斜角度α由小增大,泄漏量由大到小再增大,当α向着来流方向倾斜50°时,泄漏量最小;随着三角齿根角度β的增加,泄漏量由大到小再增加,当β为105°时,泄漏量最小.     

轮毂轴承径向直通式迷宫密封的数值分析

以轮毂轴承径向直通式迷宫密封为研究对象,针对影响密封结构的4个参数(间隙宽度、空腔深度、空腔宽度、空腔数目),运用计算流体力学和正交试验方法,通过FLUENT软件的仿真计算,确定了泄漏量最小的密封结构最优参数,探讨了各因素对泄漏量的影响规律。研究结果表明:泄漏量随间隙宽度的增加而增加,随空腔深度或者空腔宽度的增加先减小后增加,随空腔数目的增加而减少。此外,随着进出口压差的增加,泄漏量几乎呈线性增加,但是轴承转速对泄漏量的影响很小。     

迷宫压空缩机中迷宫泄漏流动泄漏计算与实验研究

对迷宫式压缩机的迷宫泄漏流动进行了模拟和计算，探讨了迷宫间隙，迷宫槽数、活塞偏心量及迷宫密封压力等主要参数对泄漏的影响规律，提出了迷宫机构主要参数的设计值选取范围，为压缩机迷宫密封机构的合理设计提供了基本依据。     

迷宫压缩机中迷宫泄漏流动泄漏计算与实验研究

对迷宫式压缩机的迷宫泄漏流动进行了模拟和计算．探讨了迷宫间隙、迷宫槽数、活塞偏心量及迷宫密封压力等主要参数对泄漏的影响规律．提出了迷宫机构主要参数的设计值选取范围，为压缩机迷宫密封机构的合理设计提供了基本依据     

迷宫密封内部结构尺寸对密封特性的影响

迷宫密封是一种通过曲折通道增大流动阻力来实现封严的非接触密封,通常用于密封气体,广泛应用于航空、能源、流体等领域的动力机械中。基于workbench ansys分别对迷宫密封内部流场进行建模、网格划分,然后利用Fluent软件分别改变间隙宽度、空腔深度等内部结构尺寸进行数值计算,以得出结构尺寸对迷宫密封特性和密封效果的影响。结果表明:泄漏量随着间隙宽度的增加而增加;泄漏量随着空腔深度的增加而增加。     

迷宫齿蘑菇形磨损时密封泄漏特性和转子动力特性系数研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的Unsteady Reynolds-Averaged NavierStokes(URANS)方程求解方法,研究了迷宫齿蘑菇形磨损对密封泄漏特性和气流激振转子动力特性的影响,计算分析了未磨损以及磨损间隙分别为0.4、0.5、0.6mm时的密封泄漏量,流场以及转子动力特性系数。结果表明:迷宫齿蘑菇形磨损使得密封间隙内缩流面积增加,导致迷宫密封泄漏量随磨损间隙增加而增加,且当磨损间隙大于0.4mm时,泄漏量随磨损间隙增加而线性增加;迷宫齿蘑菇形磨损增加了密封的直接刚度,降低了密封交叉刚度的大小以及直接阻尼,但当磨损间隙超过0.5mm时,直接阻尼不再发生改变;随着迷宫齿蘑菇形磨损间隙增加,迷宫密封有效阻尼降低,从而使得转子稳定性降低,但仍然处于稳定范围内。     

刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性数值研究

为评估刷式-迷宫密封的封严性能和偏心涡动时对转子安全稳定性的影响,采用基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立了数值研究刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性的数学模型。研究了压比为1.96、3、4.49、6.9,进口预旋速度为-50、-30、0、30、50 m/s和4种转子自旋速度为3×10~3、7.5×10~3、1.5×10~4、2×10~4 r/min下刷式-迷宫密封泄漏流动特性和转子动力特性系数,并与传统迷宫密封进行了比较。研究结果表明:刷式-迷宫密封的泄漏量显著小于迷宫密封,在压比为6.9时,刷式-迷宫密封的有效间隙仅为迷宫密封的25.5%;刷式-迷宫密封的直接刚度随压比和进口预旋速度绝对值增大而增大,随转子自旋速度改变变化不明显;有效阻尼随进口预旋和转子自旋速度的升高而降低。刷丝束具有止旋作用,相比迷宫密封,刷式-迷宫密封的交叉刚度和有效阻尼对运行工况变化敏感度更低,且刷式-迷宫密封的直接刚度在研究工况范围内均大于迷宫密封,临界转速更高。在相同工况条件下,刷式-迷宫密封的封严性能显著优于迷宫密封,正向预旋速度较大或转子自旋速度较低时,刷式-迷宫密封有效阻尼大于迷宫密封,转子系统的稳定性更好。     

高速滚子轴承腔热状态分析模型

分析影响轴承腔热状态的主要热源,建立了轴承及石墨密封摩擦热、密封热泄漏量、对流换热系数及轴承腔温度场计算模型。这些模型的建立为轴承腔温度场和发动机最佳滑油量的计算奠定了基础。     

异形孔腔结构对液体孔型密封泄漏特性及转子耗功的影响

为降低透平机械中动静间隙泄漏量,提高机组运行效率与转子系统稳定性,以孔型密封为基本模型,提出了一种球凹孔腔、两种周向倾斜孔腔(倾斜角为±30°)和两种轴向倾斜孔腔(倾斜角为±20°)的密封结构。采用基于三维定常RANS方程的数值计算方法,研究了异形孔腔对液体孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响,计算分析了不同转速(0～6 000 r/min)下,典型孔型密封和5种异形孔密封结构的泄漏量、孔腔流场、湍动能耗散率分布和转子面拖拽力矩。结果表明:球凹孔腔在转速0～4 000 r/min的范围内能显著降低密封泄漏量;周向倾斜孔腔能显著降低间隙内周向旋流,倾斜角为30°的周向斜孔密封具有更低的泄漏量;轴向倾斜孔腔能略微降低转子耗功,倾斜角为20°的轴向倾斜孔腔能降低泄漏量,而倾斜角为-20°的轴向倾斜孔腔导致泄漏量增加。