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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

高进口预旋条件下迷宫密封转子动力特性实验研究

为获得高进口预旋条件下迷宫密封转子动力特性,阐明其气流激振失稳机制,本文基于西安交通大学动密封转子动力特性实验台,实验研究了高进口预旋条件下（预旋比μ₀>0.8）,压比以及转速对迷宫密封转子动力特性影响规律。实验测量了2种压比（π=3.0,4.0）、3种转速（n=3 000,6 000,12 000 r/min）下迷宫密封频率相关的转子动力特性系数。研究发现：高预旋条件下,迷宫密封交叉刚度始终为较大的正值,导致有效阻尼始终为负值,不利于转子系统稳定,容易诱发转子失稳;压比对迷宫密封转子动力特性影响显著,随压比增加,迷宫密封直接刚度幅值显著增大,交叉刚度始终为正值且幅值显著增大,有效阻尼明显降低;转速对迷宫密封转子动力特性影响较小,直接刚度、直接阻尼对转速变化不敏感,基本保持不变,交叉刚度随转速增加略微增加,进而导致有效阻尼略微减小。     

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。     

超临界二氧化碳迷宫密封内摩擦损失数值研究及流动特性分析

为厘清迷宫密封内摩擦损失的影响因素并建立摩擦系数预测模型,基于Vannini等搭建的迷宫密封实验装置,以超临界二氧化碳为工质,采用数值方法,探究了雷诺数、进出口压比以及间隙半径比对摩擦系数和泄漏特性的影响关系。结果表明：摩擦系数随雷诺数的增加而减小,随进出口压比的增加基本不变。泄漏量在雷诺数小于10⁴时基本不变,但在大于10⁴时随雷诺数的增大而减小,且泄漏量随进出口压比增大而增大。在不同工况条件下,摩擦系数和泄漏量随间隙半径比的增加而线性增大,但摩擦系数的斜率基本不变,泄漏量的斜率随进出口压比的增大而增大。当雷诺数较高、压比较低时,在密封的入口区域会存在尺寸较大的涡,这有利于泄漏量降低,但此时泄漏模型的预测精度有少许降低。当间隙半径比较小时,摩擦损失主要源于密封间隙内的流动;当间隙半径比较大时,流体与壁面的相互作用是摩擦损失产生的主要原因。最后,基于数值计算结果,提出了摩擦系数预测模型,并验证了该模型预测精度。研究结果将为提高超临界二氧化碳迷宫密封及透平机械的设计水平提供参考。     

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．     

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。     

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。     

动密封转子动力特性谐波激励实验测试方法

针对动密封性能实验研究需求，设计搭建了基于谐波激励机械阻抗法的动密封转子动力特性实验台。实验台包括供气系统、驱动系统、润滑系统、激振系统以及测量系统5个部分。实验测试原理：利用电磁激振器对密封静子件分别施加x和y两个正交方向的单频/多频谐波激励，同步测量密封静子件涡动位移、涡动加速度以及所受的激振力等动态信号，通过无压缩气体的基准实验解耦实验台机械阻抗和动密封气流阻抗，求解力-位移线性方程，获得频率相关的动密封转子动力特性系数。该实验台能够开展不同运行工况(压比、转速、预旋比和偏心率)、不同密封结构(迷宫、蜂窝/孔型、袋型密封等非接触式动密封)和不同密封间隙下的频率相关转子动力特性系数实验测量。利用搭建的实验台对典型迷宫密封开展了泄漏与转子动力特性测量，验证了实验台的可靠性与准确性。     

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.     

蜂窝密封抑制叶尖密封激振的研究

针对叶片疲劳断裂问题,研究了蜂窝密封抑制叶尖密封气流激振的性能。将叶尖密封分别采用光滑密封和蜂窝密封,测量不同密封间隙下的叶片振幅。采用烟线法显示了叶尖密封尾流场,同时绘制了流场的速度分布图。实验结果表明用蜂窝密封替代光滑密封能够减小叶片振幅,且振幅随密封间隙的增大而减小。与光滑密封相比,蜂窝密封最佳可减小无冠叶片1/4的振幅、带冠叶片1/3的振幅。对蜂窝密封抑制叶片振动的机理进行分析,蜂窝密封能够降低密封腔内流体速度、耗散流体能量,从而流体对叶片的激振力减弱,叶片振动得到有效抑制。     

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。     

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.