迷宫蜂窝密封泄漏特性的实验测量和数值研究

为研究蜂窝孔径、径向间隙和运行工况对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,采用静止密封泄漏特性实验测量平台,测量了7种压比和5种径向间隙下迷宫蜂窝密封的泄漏量。基于数值求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型的方法,研究了迷宫蜂窝密封的泄漏特性。分析了压比(1.05～1.6)、密封间隙(0.4～1.2 mm)、转速(0～8 000 r/min)和蜂窝孔径(0.8、1.6、3.2 mm)对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,并与光滑面迷宫密封进行了对比。研究表明：迷宫蜂窝密封的泄漏量随着压比的增加而近似线性增大;密封流量系数随径向间隙增大而有所降低,降低最大值为10%。在转速低于3 000 r/min时,转速对迷宫蜂窝密封的泄漏量影响很小;当转速高于3 000 r/min时,蜂窝结构能够抑制流体的周向运动使迷宫蜂窝密封在高转速时具有更优的密封性能,流量系数明显下降,转速升高到8 000 r/min时密封流量系数最多降低到0转速时的51%。迷宫蜂窝密封流量系数随蜂窝孔径增大先减小后升高,在孔径为0.6 mm与齿宽相等时流量系数最低,此时流量系数比光滑面迷...     

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(SCO₂)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SCO₂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.     

双端面机械密封的摩擦学性能研究

研制了一台测试机械密封可以在转速、介质压力和弹簧比压等不同工况下的温升量、摩擦扭矩和泄漏量的试验装置。以聚四氟乙烯和球墨铸铁材料为密封摩擦副进行了试验研究,结果表明:随着转速和弹簧比压的增大,端面温度上升速率增大;端面摩擦因数随转速和弹簧比压的增大而增大,当转速达到2 000 r/min时,摩擦因数趋于平缓;泄漏量随转速和介质压力的增加而增大,但随弹簧比压的增加而迅速减小,当弹簧比压达到0.22 MPa时,泄漏量趋于稳定。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

蜂窝面迷宫密封内流动和总温升特性的研究

研究了典型燃气轮机蜂窝面迷宫密封内的流动和总温升特性,并与光滑面迷宫密封进行了比较.采用标准k-з紊流模型数值求解了三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,计算了2种流量、不同转速时蜂窝面和光滑面迷宫密封的内流场以及间隙热系数.计算得到的蜂窝面和光滑面迷宫密封的间隙热系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性.研究结果表明:在相同转速、径向间隙和流量条件下,蜂窝面迷宫密封的总温升高于光滑面迷宫密封,即蜂窝面迷宫密封的间隙热系数高于光滑面迷宫密封,表明蜂窝面的阻尼作用提高了间隙热系数.对于蜂窝面和光滑面迷宫密封,其总温升和间隙热系数随转速的升高而增大,随流量的增大而减小.对于蜂窝面迷宫密封,在相同转速条件下,泄漏流量的增大使得子午面上速度增大,但密封内的泄漏流动形态基本相似,光滑面迷宫密封内的泄漏流动形态也具有类似特性.     

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。     

离心泵新型轴向力平衡装置动态轴向力计算及设计方法

采用动静环内半径不变加大其外半径的方法,对轴向间隙为0.1~1.0mm时其内的液体压力分布、泄漏量、动环上轴向力进行了数值计算及分析.结果表明:轴向间隙液体压力沿半径方向逐渐增大,其关系曲线是斜直线,但动静环外半径与内半径比值和轴向间隙大小对其斜率有明显影响;在相同的动静环的外半径与内半径的比值时,隙径比增大,泄漏量系数具有先急剧增大然后趋于平坦的变化规律,而轴向力系数具有先急剧减少然后趋于平坦的变化规律.从控制轴向力减少液体泄漏量的角度,提出了过渡区隙径比可作为轴向间隙设计的理论依据.对平衡腔内不安装平衡装置时平衡腔液体压力进行了测试,对比分析了平衡装置减少轴向力的效果.     

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。     

液压变压器变压比特性研究

为解决已有的液压变压器变压比模型与实际结果偏差较大的问题,通过对实际工作过程中不应忽略的摩擦与泄漏损失进行研究,引入机械摩擦损失系数、黏性摩擦损失系数和层流泄漏系数,建立了液压变压器变压比模型.计算分析和试验结果表明,负载流量对液压变压器的变压比特性影响巨大,液压变压器的变压比应表示为配流盘控制角和负载流量的函数.当控制角不变时,变压比随负载流量的增大单调减小;当负载流量不变时,变压比存在有限的最大值,这一最大值及其对应的最大有效控制角随负载流量的增大而减小.     

迷宫密封泄漏对小流量离心叶轮气动性能影响的研究

在考虑密封泄漏损失的情况下,对小流量二氧化碳离心叶轮进行了三维黏性计算流体动力学分析,对比了考虑密封泄漏前后的计算结果.在设计工况下,叶轮等熵效率下降了8.1%,表明对小流量离心压缩机性能及主流流动结构进行准确的数值预测,必须考虑密封泄漏.为了揭示密封泄漏对离心叶轮性能的影响,通过改变迷宫密封的间隙得到了不同的密封结构,并在设计工况、小流量工况和大流量工况下分别进行了数值分析.结果表明,在一定流量工况下,随着密封间隙的增大,密封泄漏损失系数近似线性增大,离心叶轮等熵效率随之近似线性地下降.     

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。     

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.     

离心泵平衡腔泄漏量和压力的计算与试验研究

基于后密封环和平衡孔泄漏量相等原理,推导出了平衡腔泄漏量和压力的数学模型．对不同后密封环间隙和平衡孔直径时的后密封环进口压力、平衡腔压力、平衡腔泄漏量进行了系统测试,结果发现：增大后密封环间隙对后泵腔有降压作用,而对平衡腔有增压作用;增大平衡孔直径,后泵腔压力和平衡腔压力有不同程度的降低,但当密封环间隙较小时后泵腔压降效果不明显．计算得到了后密封环流量系数和平衡孔流量系数与比面积的试验曲线,后密封环流量系数随比面积增大而增大,而平衡孔流量系数随比面积增大而减小．给出了流量系数比与比面积的试验曲线,该曲线反映了后密封环间隙和平衡孔直径对平衡腔压力的耦合调节作用,具有重要工程应用价值．     

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。     

不同几何和换热条件下转子风阻的变化规律

在超临界二氧化碳布雷顿循环系统涡轮机械设计中,为提高能量转换效率,需要研究转子风阻的变化规律.针对5 MPa二氧化碳工质在不同转速、不同间隙宽度与转子半径比值以及不同定子壁面换热系数的工况进行数值计算分析.结果表明:在间隙宽度与转子半径比值相同的情况下,转子风阻随着转速的增大而增大;在转速一定的情况下,随着间隙宽度与转子半径比值的增大,转子风阻先减小后增大,在其比值为0.20时转子风阻存在最小值;转子风阻受泰勒涡影响较大,泰勒涡强度越大,摩擦系数越小;转子风阻随定子壁面换热系数的增大而增大,定子壁面换热系数的变化会导致腔室内工质温度的改变,工质热物性的改变是转子风阻随定子壁面换热能力变化的主要原因.