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。     

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．     

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。     

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。     

螺旋篦齿-刷式密封泄漏特性实验和数值研究

为探究刷丝束安装位置对螺旋篦齿-刷式密封泄漏流动特性的影响,基于多孔介质模型和计算流体动力学(CFD)技术,数值研究了刷丝束安装在螺旋篦齿上游或下游两种螺旋篦齿-刷式密封在不同压比(1～1.3)和转速(0～10 000r/min)条件下的泄漏流动特性。同时,在压比为1～1.3和转速为0～2 000r/min的条件下,实验测量了刷丝束安装在螺旋篦齿上游的密封泄漏流动特性。在实验工况范围内,数值模拟得到的泄漏量和腔室压力与实验值吻合良好。结果表明:泄漏气流主要经刷丝束与转子间隙流入下游;相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时的泄漏量及其对转速变化的敏感度更小。螺旋篦齿和转子环形台阶沿轴向交错排列,导致周向静压分布不均和下游压力高于上游压力;两种密封转子面静态气流作用力的x轴分量方向相反,y轴分量方向也相反,且相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时静态气流作用力的x轴分量绝对值更大,而y轴分量绝对值更小;静态气流作用力的绝对值随压比升高而显著升高,对转速变化不敏感。     

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.     

刷式密封流场和温度场的3维数值计算

该文建立了一种刷式密封的3维模型,结合ANSYS系列商用软件,利用计算流体动力学(CFD)方法计算了刷式密封的流场和温度场。研究了刷丝排数对泄漏量的影响,对刷丝排数为14排,厚0.93mm的刷式密封进行了流场和温度场计算,重点研究了刷丝间隙中的流动和刷丝及刷丝间隙中温度分布的细节及规律,讨论了不同工况参数及压差、干涉量、线速度对最高温度的影响。结果表明:随着刷丝排数的增加,泄漏量先呈指数下降,后呈趋缓的线性下降,最后基本趋于稳定。干涉量和线速度对最高温度的影响更为明显。     

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。     

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。     

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.     

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。     

全金属单螺杆泵瞬态漏失特性分析

基于Simeric-MP+商业软件对全金属单螺杆泵进行流体域动网格划分并根据网格收敛指数(GCI)选择网格方案,通过数值计算方法分析单螺杆泵能量特性和压力脉动特性对瞬态漏失特性影响,总结一般规律与内部机理.结果表明:随着介质黏度μ的减小和间隙量δ的增大,数值计算的泄漏量逐渐增大,此规律与缝隙流动模型一致;瞬时泄漏量不等...     

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。     

阻塞截流交替式无接触转动密封

本发明阻塞节流交替式无接触转动密封可作为多种回转式气体机械的轴端密封．针对迷宫式密封仅靠节流作用而泄漏多特别是在高压不理想、排齿数少以及对审轴的耐受性差的不足，融汇了两种密封原理，添加了边界层阻流作用，将传统的齿顶节流齿侧迷宫改为长齿侧阻塞节流和齿顶迷宫．可多排齿控、增大曲折度、延长轴向间距，故消除了迷宫密封的几个缺点，显著降低了泄漏量．     

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。     

翅片管束传热及阻力特性的三维数值模拟

在实验的基础上,利用计算流体力学FLUENT软件对空气外掠管束时管外流动和放热性能进行了数值模拟,得到了两种不同管束布置时的对流换热准则关联式及阻力函数关系式。并且通过与前人经过实验而得到的准则关联式相比较,发现文中通过数值模拟得到的准则关联式与其吻合性较好。还总结出了在Re较高时,管束采用叉排布置是不经济的。     

考虑热力学效应的涡轮氧泵口环间隙泄漏特性研究

为精确分析口环间隙泄漏特性及泄漏流动对液氧泵内流场的影响,本文基于SST k-ω湍流模型与High Resolution算法,对某涡轮氧泵进行了全尺寸整场数值模拟,研究了不同流量工况下热力学效应对液氧泵外特性、口环间隙泄漏量及空化特性的影响。研究结果表明,在额定工况点附近,Б.B.奥夫相尼科夫公式预测口环间隙泄漏特性相对准确,偏流量工况下各经验公式预测精度下降;等体积流量下,工质为液氧时泵效率较常温水介质高4%,口环间隙泄漏量大于水介质下,且泄漏量差值与流量相关;等温条件下,介质温度对口环间隙泄漏量影响较小,额定工况下高温液氧泄漏损失较大;考虑热力学效应后,泵腔口环间隙内的温升随流量减小而增大,120%～40%工况下温升约为1～3 K。液氧泵扬程与效率较等温条件结果略有升高,口环间隙进出口涡量增大、泄漏量明显减小,泄漏量减小数值与流量成反比,最大减小量为3%,同时口环间隙内空化加剧。     

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.     

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。