高偏心率下旋转密封泄漏特性和静态动力特性研究

为了评估转子发生偏心时非同心旋转密封对透平机械运行效率和安全稳定性的影响,提出了基于动网格技术和三维RANS方程的高偏心率旋转密封三维计算网格的生成方法,以及高偏心率旋转密封静态气流激振力和静态刚度系数的数值计算方法,研究了高偏心率下旋转密封的泄漏特性和静态动力特性。采用文中所提方法计算分析了3种压比(0.17,0.35,0.50)、2种进口预旋比(0,0.5)和7种偏心率(0.0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.8,0.9)下的袋型阻尼密封泄漏量、静态气流激振力、静态刚度系数和流场特性。研究结果表明:旋转密封的泄漏量随偏心率的增大而增大;转子偏心和进口预旋产生了显著的正交叉刚度,易诱发转子发生偏心涡动而失稳;非阻塞工况下,旋转密封具有正的静态直接刚度;阻塞工况下,旋转密封的静态直接刚度存在穿越偏心率为0.5,静态直接刚度随偏心率的增大而增大,其值在穿越偏心率处由负值变为正值,以避免产生密封碰磨失效。     

孔型参数对流体孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响

为评估孔型密封在液体透平机械动静间隙的封严效果,明确液体工质下孔型密封设计中关键几何参数孔深、孔径选取准则,采用基于动网格技术的网格自动生成方法和基于三维定常雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程的孔型密封泄漏流动数值计算方法,研究了液体工质下孔型几何参数孔深、孔径对孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响规律。计算分析了2种转速(2 000,6 000r/min)、5种孔径(3,6,9,12,16mm)下孔深在0.5～15mm范围连续变化时,液体孔型密封的泄漏量、转子耗功以及孔腔流场结构,并与实验结果进行了对比。结果表明:所采用的数值方法能够准确预测液体孔型密封泄漏量;液体孔型密封泄漏量随转速增大而线性减小;深径比(孔深与孔径之比)对孔腔内涡系结构具有显著影响,是影响液体孔型密封泄漏量的关键参数;随孔深径比增加,液体孔型密封泄漏量先减小后增大;存在最佳孔深径比范围0.5～0.6,此时液体孔型密封泄漏量最小;不同孔径下,液体孔型密封转子耗功随孔深径比的增加而急剧减小。     

迷宫密封泄漏特性的试验研究

为了研究迷宫密封泄漏特性,设计并搭建了旋转密封试验台,测量了典型迷宫密封在8种压比、5种转速、固定密封间隙下的泄漏量和密封腔室压力.通过数值模拟结果的对比分析,找出了压比、转速对迷宫密封泄漏特性和腔室压力的影响规律.研究结果表明:搭建的旋转密封试验台在迷宫密封泄漏量和密封腔室压力的测量精度上是可靠的;相比于试验结果,数值计算获得的泄漏量和腔室压力的最大相对误差分别为3.25%、3.6%,表明试验与数值结果吻合良好,数值方法可以较准确地预测迷宫密封的泄漏量和腔室压力;相同转速下的流量系数随着压比的提高而增大,小压比下的流量系数增加迅速;相同压比下的转速对流量系数的影响很小,可以忽略;迷宫密封腔室压力系数沿流动方向逐渐减小,密封腔室结构对压力系数影响很大.     

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。     

孔型几何参数对孔型密封泄漏和鼓风加热特性影响研究

为明确孔型密封设计中关键几何参数孔深、孔径的选取准则,提出了基于动网格技术和节点位移扩散方程、孔型密封孔深连续变化时三维计算网格的生成方法以及基于三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的孔型密封泄漏量和鼓风加热功率的数值计算方法。研究了孔型几何参数孔深、孔径对孔型密封泄漏特性、鼓风加热特性的影响规律,计算分析了7种孔径D=2,3.175,5,7,9,11,14mm、孔深H在0.5～15mm范围连续变化时孔型密封的泄漏量、鼓风加热功率和孔腔流场结构,并与实验结果进行了对比。结果表明:本文提出的网格生成和数值计算方法能够可靠预测孔型密封的泄漏特性,且具有计算速度快、工作量小的优点;孔型密封泄漏量在深径比AR在0.15～0.25范围内取得最小值,在0.7～0.9范围内取得最大值;鼓风加热功率随孔径的增大而增大,随孔深的增大而减小;孔型密封设计中在孔径为2～5mm范围内选取较小的孔径,在深径比为0.2～0.5范围内选取较大的孔深。     

迷宫齿弯曲磨损时密封泄漏特性和转子动力特性系数研究

针对迷宫密封在运行过程中因碰磨因素等导致迷宫齿弯曲磨损,进而影响其泄漏和转子动力特性的问题,开展了迷宫齿弯曲磨损时密封泄漏和转子动力特性变化的数值研究。采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(URANS)方程求解方法,计算分析了迷宫齿未弯曲磨损时间隙为0.3mm以及3种不同弯曲程度下间隙为0.4、0.5、0.6mm时的密封泄漏量和转子动力特性系数,并计算了未弯曲磨损条件下间隙为0.4、0.5、0.6mm时密封泄漏量以进行对比。研究结果表明:迷宫齿弯曲磨损时密封泄漏量是由径向间隙与弯曲曲率共同决定的。当迷宫齿未弯曲时,密封泄漏量随径向间隙增加而线性增加;迷宫齿弯曲曲率增加会削弱密封入口的压缩效应,增加密封归一化缩流面积;当径向间隙为0.6mm时,迷宫齿弯曲使得密封泄漏量增加6.1%。随着迷宫齿弯曲磨损后径向间隙增加,密封直接刚度逐渐增加,导致转子系统的临界转速提高,对于运行转速小于临界转速的转子系统,有利于避免与转子系统发生共振。交叉刚度大小和直接阻尼随迷宫齿弯曲磨损后径向间隙增加而逐渐降低,引起密封有效阻尼逐渐降低,不利于转子系统的稳定性。     

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。     

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。     

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。     

一类转子-轴承-密封系统在静态偏置下的动力学方程建模和仿真

在Muszynska密封流体激振力模型中,考虑了密封腔中轴颈静态偏置的影响,建立了非线性转子-轴承-密封系统的动力学模型.其中,数值仿真了转速等因素对系统动态响应所造成的影响,给出了系统响应随转子偏心量、转速变化的分岔图、Poincare截面图、轴心轨迹图、时间响应图和最大Lyapunov指数图等.     

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。     

防旋板结构的迷宫密封转子动力特性研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常RANS方程,研究了高低两种预旋比下具有防旋板结构的迷宫密封气流激振转子动力特性。分析对比了在预旋比分别为0.13和1.32时无防旋板结构迷宫密封(Design 1)、带进口防旋板结构迷宫密封(Design 2)、在Design 2的基础上增加二级防旋板迷宫密封(Design 3)的平均周向速度、泄漏量、转子动力特性系数。数值模拟得到的Design 1的泄漏量和转子动力特性系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性。研究表明：高预旋比会导致Design 1的直接刚度和有效阻尼降低,并使直接阻尼与交叉刚度增加;预旋比为1.32时Design 2相对于Design 1能明显降低交叉刚度,且降幅达到63.3%～86.3%,Design 3相对于Design 2的交叉刚度降低了12.9%～39.4%;预旋比0.13时Design 2的交叉刚度小于0,Design 3的交叉刚度绝对值相对于Design 2增加了24.4%～153.0%;Design 2相对于Design 1在预旋比为1.32时有效阻尼项穿越频率从175.1 Hz降低到28.3...     

非均匀进汽时迷宫密封汽流激振动力特性的研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的URANS方程求解方法,研究了动、静叶干涉作用以及级间补汽导致的非均匀进汽温度和压力条件下叶顶迷宫密封汽流激振转子动力特性,计算分析了进汽预旋比为0.2、0.5、0.7时叶顶迷宫密封转子动力特性系数,并与均匀进汽温度和压力条件下迷宫密封转子动力特性系数进行了比较。研究结果表明:密封转子稳定性随进汽预旋比的增加而降低;非均匀和均匀进汽条件下迷宫密封腔室周向旋流强度和腔室压力分布的差异随进汽预旋比的增加而逐渐减小,2种进汽条件下密封转子动力特性系数之间的差异随进汽预旋比的增加而减小;与均匀进汽相比,进汽预旋比为0.2时非均匀进汽下迷宫密封交叉刚度至少降低82.7%,交叉阻尼至少增加30.7%;进汽预旋比为0.5时非均匀进汽下迷宫密封有效阻尼仅在涡动频率为50~100 Hz时较均匀进汽低8.4%~12.4%;进汽预旋比增加至0.7时,非均匀和均匀进汽条件下迷宫密封转子动力特性系数基本相同。显然,进汽预旋比较高时进汽均匀性对迷宫密封汽流激振转子动力特性系数的影响可以忽略。     

超临界二氧化碳向心涡轮泄漏特性计算与分析

针对超临界二氧化碳(SCO_2)向心涡轮轮背空腔泄漏流,采用典型的迷宫密封,对设计参数进行参数化研究与流场分析,并计算轴向力.首先建立迷宫密封泄漏流动CFD模型,运用NUMECA软件对迷宫密封的可靠性进行验证,进而从气动参数和结构参数两方面对SCO_2向心涡轮轮背泄漏特性进行研究.结果表明,涡轮泄漏量和轴向力随密封出口压力的升高而减少,在一定间隙范围内线性增大,当密封齿高较小时,泄漏量和轴向力随齿高的增加而减小,当密封齿高超过6.3 mm时,泄漏量和轴向力不再随之变化;在密封轴向长度给定的情况下,齿数为6时能实现最佳的密封效果;通过改变密封齿的形状,得到一种密封性较好的等腰梯形齿.     

附带共振腔的改进型迷宫密封性能分析

为了提高迷宫密封的性能,受亥姆霍兹共振腔启发,提出了一种改进型迷宫密封.在传统迷宫密封腔上方设计第2个膨胀腔,使气流在腔内进行二次膨胀,增加腔内气流的速度耗散.应用数值方法研究改进型密封的泄漏特性、动力特性和声学特性,并与迷宫密封进行比较.研究结果表明:改进型密封内的气流形成了2个漩涡,使气流膨胀更充分,密封泄漏量降低;改进型密封腔的容积增大,降低了低频切向气流力,提高了密封在低频涡动区内的稳定性;受亥姆霍兹共振腔声学效应的影响,改进型密封提高了对低频噪声的抑制能力.     

考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封转子动力特性

针对阶梯型迷宫密封转子动力特性受进口预旋影响的问题，提出了考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封动力特性计算方法。基于Murphy小位移涡动原理建立气流激振力-转子位移-转子速度的控制方程；采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对不同预旋比的全环密封流道进行计算，通过频域内求解控制方程得到了刚度和阻尼等动力特性参数，研究了不同预旋比的情况下阶梯型迷宫密封的动力特性；绘制了流道内的压力分布和流速矢量图，研究了阶梯型迷宫密封的流场特性。数值仿真结果表明：随着预旋比的增加，直接刚度在低频部分增大，在高频部分减小，交叉刚度几乎不变，交叉阻尼随预旋增加而减小；气流预旋明显降低了直接阻尼，相较于预旋比λ=0的情况，λ=0.255及λ=0.516的工况下直接阻尼的预估值平均减小了16.9%和21.4%;随着节流次数增加，气流经过密封齿的压降逐渐增加，分别为0.25、0.374和0.499 MPa,密封齿顶的流速也逐渐增加，分别为79.5、88.36和106.0 m/s;由于密封齿阶梯式的排列增加了主流道的复杂性，阶梯密封流道分为节流区、射流区和涡流区，涡流区2个转向相反的旋涡增加了流道内气流动能的耗散。     

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.     

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