多级刷式密封级间压降分配影响因素数值与实验研究

发布时间：2021-06-17 05:35

　　多级刷式密封级间压降分配直接影响刷式密封的封严特性和使用寿命,现有多级刷式密封结构存在各级压降不均衡导致密封提前失效的问题。本文建立多级刷式密封三维实体流固耦合求解模型,设计搭建多级刷式密封实验装置,在数值计算与实验测试结果相互验证的基础上,研究了工况参数与结构参数对多级刷式密封级间压降分配的影响规律,揭示了多级刷式密封级间压降不均衡性的产生机理。研究结果表明:在本文研究工况下,相同结构的两级刷式密封各级压降占比分别为32%～35%和65%～68%,三级刷式密封各级压降占比分别为21%～27%、27%～32%、41%～52%,多级刷式密封各级承担压降逐级增大,进出口压比对级间压降分配影响不大;增大刷丝束与转子表面间径向间隙、刷丝之间间隙以及后挡板高度均可改善各级压降分配,同时也会增加泄漏量;影响多级刷式密封级间压降均衡性的主要原因是逐级不均匀增大的体积流量,各级压降随体积流量逐级不均匀的增加而增大;增大下游级流道截面积可有效降低体积流量,平衡多级刷式密封各级压降。本文研究结果为多级刷式密封结构设计提供了理论依据。 

【文章来源】：航空学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

刷式密封结构图

本文通过ANSYS Workbench数据交换平台提供的System Coupling模块实现刷丝固体域和气体流体域的双向耦合。刷丝变形分析采用ANSYS软件中的瞬态结构动力学分析方法，流场特性采用CFX中RNG k-ε湍流模型进行分析。刷式密封双向流固耦合求解采用双重循环迭代方法。图2给出了刷式密封流固耦合方法流程图，Tn时刻循环开始，以Tn-1时刻流场的压力与速度分布和刷丝变形的位移结果信息作为初始条件，流体域进行若干子步计算收敛后，通过网格插值将得出的流场压力与速度分布等信息传递于刷丝固体域耦合面，刷丝固体域耦合面以其边界条件计算得到刷丝瞬态动力响应，然后刷丝变形的位移等信息再通过网格插值传递给流场耦合面，作为流场耦合面的边界条件，至此流体域与固体域的位移、载荷都达到收敛状态时，则完成一次双向耦合迭代计算，继续进入Tn+1时刻循环。在双向流固耦合方法下，可获得任一时刻刷式密封流场压力速度分布特性和刷丝运动变形特性。1.2 多级刷式密封计算模型

图3给出了三级刷式密封实验件实物图与三维计算模型及其对应关系。表1中给出了多级刷式密封结构参数。刷丝材料为镍基高温合金，弹性模量为213.7GPa，泊松比为0.29。由于刷式密封结构复杂，建模时需要对刷式密封进行简化，选取刷丝束焊接区域以下建立三级刷式密封三维计算模型。考虑到刷式密封整周为对称结构以及带有弧度的实验件的加工难度及成本，按其周向长度设计加工了相应的等长无弧度多级刷式密封直型段实验件。为提高计算效率，建模时选取刷丝束中间整排与两侧轴向切半的叉排结构作为最小周期循环单元建立计算模型[21]，多级刷式密封实验件的长度由一定数量的最小循环单元的周向长度组成，其数量等于实验件长度与最小循环单元周向长度的比值，在进行数值计算后，将最小循环单元的相关计算数据与上述比值相乘，即可进行数值与实验数据的对比[22]。1.3 网格划分与边界条件

【参考文献】：
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本文编号：3234577