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.     

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-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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

迷宫密封泄漏特性影响因素的研究

采用标准k-ε紊流模型和三维RANS方程求解方法,数值研究了密封间隙、压比、转速对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律.计算分析了典型迷宫密封在3种密封间隙、4种压比和4种转速下的泄漏特性.研究结果表明:用相对流量系数(转动时的流量系数与静止时的流量系数的比值)与速比(周向速度与轴向通流速度的比值)的函数关系表征泄漏量随转速变化的规律时,存在一个临界速比约等于1.0;低于这个临界速比时,转速对泄漏量的影响不明显;高于这个临界速比时,泄漏量随转速的增大而减小,在很高的转速下(6 000 r/min以上),泄漏量至少减小了5.1%;相同间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,随着密封间隙的减小,相对泄漏量逐渐降低.     

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。     

不同分子量聚合物溶液在多孔介质中的渗流特性研究

通过岩心流动实验,探讨了部分水解聚丙烯酰胺溶液(HPAM)在多孔介质中流动时聚合物分子量和孔隙特征参数对流动行为的影响,得到了一组反映流动参数变化规律的关系曲线。结果表明,在消除黏度效应条件下,高分子量聚合物比低分子量聚合物降低水相渗透率的能力强;聚合物分子量越高,多孔介质渗透率越低,阻力系数和残余阻力系数越大,聚合物越早突破多孔介质;当平均孔隙半径与聚合物分子尺寸之比大于4时,多孔介质的孔隙通道一般不会发生聚合物堵塞.     

1GPa新型密封结构的理论分析

为探讨一种新型超高压密封结构的可行性 ,对超高压下钢筒和柱塞的变形量进行了理论推导 ,通过雷诺方程数值求解 ,获得了新型密封结构的漏耗特征曲线、液膜压力分布曲线及初始间隙对泄漏量的影响曲线。分析了新型超高压密封结构的密封机理 ,讨论了新型密封的特点。结果表明 :新型的超高压动密封结构是一种自适应的动态密封结构 ;初始间隙对密封性能的影响表现出不敏感性 ,新型超高压密封是可行的密封结构 ,可实现 1GPa压力的动密封     

螺旋密封的密封能力及参数优化

建立了流体作层流运动条件下螺旋密封的封液能力模型.用CFD分析了压差力作用下密封介质受力分布和压差力作用下密封介质速度分布,并以此求出泵送流量和压差作用下产生沿螺旋槽的泄漏量和环形间隙产生的泄漏量.根据流量平衡理论求解出密封系数,并对螺旋密封结构的参数进行了参数优化,得出最佳螺旋密封结构参数,即当齿顶宽和齿槽宽比值为1,齿槽深和间隙比值为2.61,螺旋升角为15.6°时密封能力最强.为层流条件下螺旋密封结构参数的选择提供了参考.     

泵出型螺旋槽机械密封端面间隙气液两相流动数值分析

针对泵出型螺旋槽气膜密封由于阻塞气压力降低,被密封液相介质进入密封间隙的情况,以密封端面间隙流体膜为研究对象,利用Fluent软件VOF模型模拟阻塞气压力恢复到正常值时端面间隙的流动状况。此时流体膜处于气液两相非稳定流动状态,研究密封端面间气液两相介质分布、压力分布及密封性能随时间的变化规律。结果表明:在假设条件下,内径处阻塞气压力恢复到正常值,流体膜能够恢复成纯气相流体膜;液相介质能增强流体动压效应,增大气相介质流动阻力,降低泵送量;气液两相掺混,改变了气液两相分布、压力分布、泵送量等密封性能,增大了流体膜恢复成纯气相的难度,且在液相介质进入螺旋槽状况下,流动过程中少量液相介质在内径处发生泄漏。     

特种车辆涡轮增压器内部流动特性分析

涡轮增压器是特种动力装备的重要动力部件,良好的密封是保证涡轮增压器正常工作的关键因素,而叶轮高速运转引发的压力不均则是泄漏的重要原因.基于流体力学分析方法建立有限元模型,研究了一种离心泵式密封结构的内部流场分析及流动特性,探讨了压气机端泄漏量、内部压力在不同转速和窄隙出口负压等工况下的变化规律,验证了该密封结构的油气密封性能.结果表明,受高速离心效应影响,该密封结构具备良好的防止压气机端漏油效果,高速运转时会产生漏气.研究结果为改进涡流增压器密封结构提供了参考依据.     

飞机燃油导管柔性接头泄漏量计算分析

为了研究密封圈缺损导致的飞机燃油导管柔性接头泄漏情况,建立工程设计可用的泄漏量计算方法,通过分析和推导的方法发展了飞机燃油导管柔性接头泄漏量计算模型,并在此基础上进行了计算分析。结果表明:所发展的柔性接头泄漏量计算方法适用于工程设计;在柔性接头缺失一个密封圈或密封圈均匀磨损的情况下,只有当缝隙段的间隙极小或密封圈磨损程度较小时,泄漏量才会随缝隙段间隙的增大有较大变化,当间隙大于一定值或密封圈磨损超过一定程度后,泄漏量几乎不再变化;柔性接头内外压差越大时,泄漏量越大;柔性接头缝隙泄漏量是各缝隙段流阻共同作用的结果,间隙值最小的缝隙段对泄漏量的影响能力最强。     

螺旋槽干式气体端面密封的刚度和泄漏量研究

干式气体端面密封(DGS)是一种非接触式机械密封,适用于大多数气体密封场合,了解密封特性尤其是气膜刚度和泄漏量对正确设计密封非常重要。针对螺旋槽气体端面密封结构,用有限元法计算了密封端面的气膜压力分布及密封的气膜刚度和泄漏量等特性参数,分析了密封面的槽深比、螺旋角和槽长坝长比等两两变化时对密封特性的影响。研究表明,当槽深比取2.0～2.5,螺旋角取15°,槽长、坝长比取1.5～2.0,槽台宽比取1.0,槽数取12～18时,可在确保密封泄漏量低的同时具有较大气膜刚度。     

高低齿迷宫气封在汽轮机级中应用的数值研究

为了研究迷宫汽封应用于实际结构的汽轮机中的流动特性及密封机理,采用商业软件CFX数值模拟了带有平衡孔和迷宫密封结构的某汽轮机高压一级半汽轮机内部流动。以第八级静叶隔板汽封为例,详细分析了所采用的高低齿迷宫气封的流动特性及密封机理。结果表明:在静叶隔板中应用转子带台阶的高低齿迷宫气封,与直通型迷宫气封相比,使泄漏气流发生多次折转,产生数量众多的大涡拟序结构与杂乱无章的小涡旋,强化了泄漏气流的动能耗散,从而明显增加了静叶隔板的密封性能。优化匹配迷宫气封的转子台阶、长短齿与大小间隙,能够进一步提高迷宫气封的气动性能。     

环冷机磁流变液密封研究

考虑到环冷机普遍存在着严重漏风问题,依据磁流变液在外加磁场作用下能呈现出可调的流变特性和可控的屈服应力这一特性,将磁流变液密封技术应用于环冷机,以达到有效解决环冷机漏风的目的。将磁流变液看作Bingham流体,建立磁流变液磁场力和屈服应力数学函数表达式,通过有限元分析,研究非磁性密封槽内的磁流变液在外加磁场力作用下流变和屈服特性,仿真结果表明磁流变液在磁场中具有一定的耐压能力,可平衡环冷机内外压差,起到密封作用,并且非磁性隔板边界处磁流变液屈服应力随密封间隙的增大而减小,同时采用线性拟合方法得到了磁流变液屈服应力表达式以计算非磁性隔板移动所需拉力。在此基础上,通过实验验证了有限元仿真结果的正确性,即采用磁流变液密封的方法可有效地解决环冷机漏风问题。     

节流孔径对静压圆弧槽干气密封端面流场影响的数值模拟

应用SolidWorks软件分别建立4种不同节流孔径静压干气密封三维几何模型,并运用Gambit软件对4种模型分别进行网格划分.利用Fluent软件对端面流场进行数值模拟,得到流场的压力分布、速度分布以及泄漏量、气膜开启力.同时对节流孔直径与气膜推力泄漏量比值进行优化,获得最佳结构参数.数值结果表明:端面压力在节流孔处最高,向四周逐渐下降,密封气在流经节流孔后形成显著的压力降,随节流孔径的增大泄漏量上升;随节流孔径的增大气膜推力增大.