刷式密封的内部流场特性分析及结构设计

发布时间：2020-05-07 18:35

【摘要】：刷式密封是一种带有柔性的接触式动密封,具有泄漏低、磨损小、寿命长等特点,因其优良的密封性能被广泛运用在航空发动机、燃气轮机及压缩机等叶轮机械中,刷式密封技术成为提高叶轮机械性能的必要途径。随着航空发动机的工作环境越来越苛刻,刷式密封的封严性能也受到了相当大的考验。因此建立符合刷式密封实际构造的数值模型,研究其内部介质流场特性对提高其密封性能有着重要的科研意义和工程价值。针对刷式密封结构和工况特点,建立基本符合刷式密封实际情况并加入一定简化的二维叉排管束模型和三维叉排管束模型,是求解刷式密封内部介质流动状态进而研究密封机理的关键。建立了刷丝束截面的二维叉排管束模型,运用Fluent软件基于SIMPLE算法进行求解。对比验证了仿真结果数据与BayleyLong实验测量的转子表面压力结果基本吻合,证明了计算模型的准确性。依据网格独立性判断方法,以气体流动速度、压力降和气体质量泄漏率的相对变化率为网格独立性检验的参考量,对该模型进行了网格独立性分析,得到了独立于计算精度的网格数,分析了各排距旋涡分离点的位置、上下游压差、刷丝排距之间的关系,研究了上下游压差、刷丝排距对刷式密封性能的影响。建立了刷丝束截面的三维叉排管束模型,结合Workbench和Fluent软件进行求解。数值模拟得到的数据与Mike等人通过实验测得的转子表面压力基本吻合,证明了计算模型的准确性。对比验证了刷式密封二维叉排管束模型与三维叉排管束模型仿真结果的可靠性,研究了上下游压差、背板轴向间隙对密封性能的影响。基于第三章和第四章的理论分析和仿真结论,本文分别以刷式密封与其他类型密封有机组合、对刷式密封自身结构的改良这两个方面,提出了四种新型刷式密封结构。第一种,迷宫密封-靴衬刷式密封两者组合;第二种,非接触指尖密封-靴衬刷式密封两者组合;第三种,接触间隙可调的组合刷式密封;第四种,等分圆周拼接式刷式密封。
【图文】：

密封技术,在航,发动机,位置

图 1.1 密封技术在航空发动机的应用位置Fig.1.1 Application position of sealing in aero engine早期应用在航空发动机上的气路密封基本上采用迷宫密封。迷宫齿端部与转子之间存有间隙。此外，安装误差、热变形、动力挠曲等因素会引起转子径向跳

泄漏流动,速度矢量,马赫数,丝束

研究了刷式密封流动阻力系数（FlowResistance Coefficients，简称FRC），并用马赫数归一化得到的速度矢量图。参见图1.2，简化多孔介质模型符合刷式密封的工作场景，可以计算刷丝束内部流动状态。图 1.2 马赫数归一下的泄漏流动速度矢量图[42]Fig.1.2 Velocity vectors normalized with Mach number（2）叉排管束模型管束模型在工程中应用广泛，燃气真空锅炉换热器、大型电站凝汽器以及海水淡化装置都可看成是管束流动系统。刷丝束由成千上万根刷丝交错组成，类似平面展开刷丝束，并通过扫面电镜观察刷丝束轴向截面，形似平面叉排管布置，计算刷丝束间隙中的介质流动可使用叉排管束模型，刷丝束内部间隙流动类似圆柱绕流，在流动的过程中无可避免的伴随着旋涡的产生与脱落。出现的漩涡阻塞了内部间隙，，有助于流体自密封[43]。另外
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH136

【参考文献】