具有前置凸台防旋板的汽轮机交错齿迷宫密封动力学特性研究

为提高汽轮机多级轴端迷宫密封动力学性能,针对汽轮机两级轴端交错齿迷宫密封,开展了具有前置凸台的新型防旋板结构方案设计和止旋抑振性能评估。首先,针对两级轴端交错齿迷宫密封,设计了一级和两级传统防旋板、一级和两级前置凸台新型防旋板等动密封防旋板结构方案,并建立了具有“虚拟旁路边界”的有、无防旋板多级交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对多级动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的动密封气流激振动力学特性(CFD)摄动数值预测方法,对比分析了无防旋板、传统防旋板和新型前置凸台防旋板作用下,两级交错齿迷宫密封泄漏特性和气流激振动力学特性;最后,通过分析不同防旋板结构方案下,两级交错齿迷宫密封腔室旋流发展、腔室速度场和动态压力分布、转子面气流激振力,阐明了防旋板的止旋抑振机制。结果表明:无防旋板的迷宫密封具有最低的泄漏量,一级传统防旋板或一级前置凸台防旋板的设置会使密封齿数减少,导致密封泄漏量增加约4.5%;相比于一级防旋板,具有两级防旋板的迷宫密封泄漏量增加约5.5%;相比于传统防旋板,前置凸台防旋板可减小交叉刚度、增大有效阻尼;相比于一级防旋板,两级防旋板可减小高涡动频率下的交叉刚度、增大直接阻尼,进而提高密封的有效阻尼;在传统防旋板的基础上设置前置凸台可提升防旋板的止旋性能,且两级防旋板可有效抑制密封下游区域的旋流发展,能显著提升迷宫密封动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

基于CFD的双侧迷宫密封结构气缸侧密封齿优化

针对压缩机迷宫密封内部流场与泄漏量问题,对双侧迷宫密封结构中的气缸侧密封齿展开优化研究。设计三角形、矩形、摆线形3种气缸侧密封齿结构,选用不同的气缸与活塞侧密封齿的齿高、齿宽、密封齿间隙的几何比例(1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6),建立不同结构的双侧密封齿密封模型,对其密封性能进行CFD动网格瞬态模拟,并与单侧密封齿密封结构进行了比较。结果表明:双侧密封齿密封结构的泄漏量相比单侧密封齿密封结构下降了25.8%~56.0%;3种不同形状的气缸侧密封齿密封性能由高到低依次为三角形、矩形、摆线形;不同几何比例的气缸侧密封齿模型中,密封性能从强到弱排列为1∶4、1∶5、1∶2、1∶6、1∶3。气缸侧与活塞侧迷宫齿几何比例为1∶4的三角形气缸侧密封齿结构的密封性能最优,相比单侧密封齿密封结构泄漏量下降了56%。

基于瞬态有限元的齿轮箱迷宫密封泄漏研究

针对某高速列车齿轮箱迷宫密封的润滑油泄漏问题,基于ANSA软件建立齿轮箱及迷宫密封结构的有限元模型,并采用FLUENT软件对其进行多相流瞬态仿真分析,研究迷宫密封结构的相对啮合深度、节流齿厚、径向间隙、回油孔直径及个数、齿与台阶距离、齿宽、密封间隙对润滑油泄漏量的影响。结果表明:当相对啮合深度大于0.5时,润滑油泄漏量与相对啮合深度呈负相关;润滑油泄漏量与节流齿厚、回油孔直径、回油孔数量呈负相关;润滑油泄漏量与径向间隙、齿宽、齿与台阶距离、密封间隙呈正相关。根据研究结果对迷宫密封结构进行改进,改进后的迷宫密封结构润滑油泄漏量降低为原始泄漏量的3.6%。

进口预旋下三种典型迷宫密封转子动力特性研究

为探讨考虑进口预旋的迷宫密封转子动力特性,基于Murphy小位移涡动理论建立气流激振力与转子涡动位移的控制方程,采用用户自定义函数建立多频椭圆涡动模型,利用FLUENT动网格技术数值求解直通齿式迷宫密封(SLS)、倾斜齿式迷宫密封(ILS)和阶梯式迷宫密封(STLS)在不同预旋比下的激振力,通过快速傅里叶变换得到整机运行时的密封动力特性系数,并对转子稳定性和密封的泄漏量进行分析。结果表明:在40~180 Hz涡动频率范围内3种密封结构的直接刚度系数呈先减小后增大的趋势,表现出很强的频率相关性,而密封结构与进口预旋对阻尼系数的影响可以忽略;阻尼系数随涡动频率增加缓慢减小至负值并趋于平稳,其中STLS的阻尼系数最小,稳定性最差,ILS的稳定性最好;增加进口预旋比会降低有效阻尼系数,并导致泄漏量降低;STLS在不同预旋条件下的密封性能均最佳,相比于SLS与ILS的泄漏量分别减少了15%和7%;在研究的20~200 Hz涡动频率范围内3种类型迷宫密封的交叉刚度由负值增大为正值,而有效阻尼减小为负值,此时迷宫密封转子系统稳定较差,可能会诱发转子失稳。

分采泵迷宫密封泄漏率的动网格技术分析

分层采油泵作为油田开采中、后期常用设备,其柱塞与泵筒间的密封常采用迷宫密封,由于井下高温高压的工作环境,密封间隙漏失成为影响泵效的主要问题。为探究压差流和剪切流对密封泄漏率的影响,基于计算流体动力学和Fluent动网格技术对密封间隙流场进行仿真实验,利用动网格中网格弹性光顺和网格重构的方法,避免了由运动壁面引起的网格畸变,进一步揭示间隙流场的特性。研究结果表明:在瞬态仿真中由运动壁面引起的剪切流作用更加明显,剪切流速的增大使边界层厚度变薄,进而影响泄漏率;间隙宽度、两端压差和柱塞运动速度对泄漏率均呈现正相关的关系;泄漏率主要受间隙宽度和压差流的影响,受剪切流影响较小。

控制棒驱动机构楔形迷宫密封组件设计与密封性能研究

控制棒驱动机构(CRDM)与压力容器管座之间通常采用焊接连接,针对堆芯换料导致的拆卸不便以及二次焊接时密封性能变差等问题,对控制棒驱动机构的连接形式进行了研究,提出了一种便于维修和利于拆卸的楔形迷宫密封结构。首先,引入了迷宫密封的设计理念,加入了楔形密封结构,采用钢制压力容器的设计标准,计算了工况下控制棒驱动机构所需的最小壁厚和热压载荷耦合作用下的临界屈服温度;然后,应用有限元方法模拟了C形环工作状态,研究了金属C形环的回弹特性及密封面状态;最后,针对楔形迷宫密封组件开展了泄漏率试验和热循环试验。研究结果表明:工况下的最小壁厚为10 mm,临界屈服温度为72.5℃;C形环尺寸越大,最大线比压值越小,密封面的贴合程度越高;楔形迷宫密封组件的泄露率小于1.0×10-6 Pa·m 3/s,能够满足多次拆卸工况下的密封要求。

风电齿轮箱迷宫密封泄漏量分析及结构优化设计

为了分析某风电齿轮箱内迷宫密封各参数对泄漏量的影响,利用数值模拟和构建代理模型对迷宫密封的泄漏行为开展了研究。首先,根据风电齿轮箱三维实体模型构建了其迷宫密封三维流场模型;然后,基于FLUENT软件,通过单一变量法研究了迷宫密封泄漏量随进出口压力比、润滑液动力黏度、高速轴与低速轴的转速和迷宫密封的密封齿间隙的变化规律;最后,构建了径向基神经网络(RBF)代理模型,在该代理模型的基础上,在影响迷宫密封性能的因素中,选取了密封间隙、密封腔体高度和密封腔体宽度三个结构参数作为设计变量,以迷宫密封的最小泄漏量和出口最大速度为优化目标,使用非劣分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)获得了最优解。研究结果表明:迷宫密封泄漏量受两个转轴的转速影响很小;泄漏量与进出口压力比、密封间隙成正比,而与润滑油动力黏度成反比;求得最优解对应的参数所对应泄漏量减小了47%,出口最大速度降低了36%,数值模拟与优化理论计算结果一致。该结果可为研究迷宫密封泄漏量的影响特性提供理论依据。

超临界二氧化碳迷宫密封泄漏和动力特性分析与比较

建立迷宫密封三维CFD计算模型,模拟超临界CO_(2)的流动,分析超临界CO_(2)迷宫密封的泄漏和动力特性,并与理想气体迷宫密封进行对比。结果表明:相比于理想气体,超临界CO_(2)的密度增加而轴向速度降低,但密度增加的幅度大于轴向速度降低的幅度,使得超临界CO_(2)迷宫密封的泄漏量比理想气体迷宫密封大21%左右。相比于理想气体迷宫密封,低速涡动时超临界CO_(2)迷宫密封具有更大的切向力,稳定性较低;高速涡动时超临界CO_(2)迷宫密封具有更小的切向力,稳定性较高。

某型市域车齿轮箱接地侧迷宫密封结构优化

针对某型市域车齿轮箱润滑油发黑问题,文章结合油样检测、齿轮箱拆解检查,以及接地侧流场仿真计算等进行原因分析,并通过台架故障复现试验进行确认。采取减小迷宫间隙、优化碳粉排放结构等措施对迷宫密封结构进行优化,并进行了仿真分析、台架试验和线路试验对比,结果显示优化后的迷宫密封结构可有效抑制碳粉进入齿轮箱内部。

离心风机的迷宫密封泄漏量模拟与分析

利用Ansys Fluent软件对离心风机直通型迷宫密封的泄漏量进行数值模拟和优化,通过改变密封通道的间隙尺寸、流道的流通长度和迷宫中空腔的结构来改善泄漏量。研究结果显示,轴与密封的梳齿之间的间隙对密封性能影响较大,较小的间隙有着更好的密封效果,建议控制在0.5mm以内,对于单梳齿密封,增加梳齿厚度有助于改善密封效果,对于多梳齿的迷宫密封,不规则的空腔能够进一步降低泄漏量。

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10^(4)时基本不变,但在大于10^(4)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。

气液两相条件下迷宫密封泄漏分析与试验研究

为解决大型船用柴油机曲轴箱轴端漏油问题,通过仿真和试验对气液两相条件下迷宫密封的泄漏行为开展研究。基于FLUENT软件进行迷宫密封流场仿真,利用离散相模型开展油滴逃逸行为分析,揭示迷宫密封在气液两相环境中的密封机理和泄漏规律。在试验器上模拟了曲轴箱密封的实际结构和工况条件,测量了不同转速条件下的漏油速率,研究了密封装置中的不同结构特征的功能作用,最终提出了两种改进措施并验证了措施的有效性。研究结果表明:交错迷宫结构与直通型迷宫结构相比可以更显著地减少空气泄漏,增加交错迷宫结构可大幅减少空气对液相介质的向外输运,此外,合理利用迷宫结构进行回油亦能显著减少滑油泄漏。

蜂窝面单齿迷宫密封泄漏特性试验和数值研究

蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏特性和封严机理研究是其应用于透平机械动静间隙流动控制的基础。采用试验测量的方法研究了静止状态下不同压比(1.05~2)和密封间隙(0.6 mm、1.2 mm)的蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏量。在此基础上,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和SST k-ω湍流模型的方法分析了蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏流动特性,同时开展了不同转速(0、1500、3000、6000 r/min)对其泄漏特性影响的研究。在试验工况范围内,数值模拟得到的泄漏量与试验值吻合,数值方法的准确性得到验证。研究表明:蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏量随着压比的增大而增大,但泄漏量增加的趋势在减弱,蜂窝面单齿迷宫密封在大压比工况下具有良好的封严性能。密封泄漏系数随密封间隙增大而增加,最高增加了14%。在研究的转速工况范围内,转速对蜂窝面单齿迷宫密封泄漏量的影响可以忽略。研究工作可为蜂窝面单齿迷宫密封的性能分析和设计提供参考。

基于流场仿真的齿轮箱迷宫密封结构防水特性分析及优化

针对恶劣运行环境下机车齿轮箱迷宫密封结构的防水问题,文章从输出轴车轮侧和电机侧迷宫密封结构最外侧的挡水排结构入手,对其进行特殊工况下的流场仿真计算,定性分析迷宫密封结构的防水特性,同时提出挡水排结构优化方案并进行仿真验证。

气缸侧迷宫结构对迷宫密封性能的影响

针对往复式迷宫密封压缩机的密封泄漏问题,基于动网格技术对不同尺寸和不同齿型结构的气缸侧迷宫密封进行数值模拟,研究气缸侧密封齿对迷宫密封性能的影响。仿真结果表明:当迷宫间隙,活塞侧齿高、齿距和齿形结构等参数不变时,随着活塞侧密封齿与气缸侧密封齿尺寸比逐渐增大,迷宫结构的泄漏量逐渐减少,密封性提高;通过改变气缸侧的密封齿结构,发现气缸侧密封齿形的变化对密封性能有一定影响。其中梯形齿对密封结构的能量耗散最理想,其次是三角形齿、矩形齿,无齿形的泄漏量远高于其他齿形。

高速轴系迷宫密封仿真分析

燃料电池空压机系统中迷宫密封具有转速高、压差大的特点,本文对其不同结构参数的迷宫密封进行了流场仿真分析,发现随着齿厚和齿数增加,泄漏量降低;增加密封腔宽度和深度也有利于降低泄漏量,但是密封腔的深度超过1mm时影响较小,缩小密封间隙可以降低泄漏量,但是需要从整个轴系进行考虑。同样的长度下,采用更多的密封齿比增加齿腔长度和齿厚更能降低密封结构的泄漏量。

固液两相工况下离心泵迷宫密封动力学特性研究

在火力发电领域,离心泵输送的介质多为固液两相流,而环形密封是离心泵的重要组成部件,主要用于抑制泵内部泄漏,但还会产生流体激振力,对环形密封转子系统的稳定性产生明显的影响。为了研究密封内的动力学特性,本文采用欧拉-欧拉模型对固液两相迷宫密封的动力学特性进行了数值研究,探讨了颗粒体积分数、压差以及转速对迷宫密封动力学特性的影响。研究发现,增大颗粒体积分数能降低密封的径向力,而对切向力没有影响。颗粒体积分数和压差的增大有利于提高迷宫密封转子系统的稳定性,而转速的增大降低了系统稳定性。

基于LBM方法的离心泵迷宫密封泄漏特性研究

目前针对离心泵环形迷宫密封泄漏特性的高精度计算方法较多,基于此,构建了基于LES-Smagorinsky模型的高精度迷宫密封泄漏特性计算方法,并通过格子Boltzmann方法(LBM)以及有限体积法CFD(FV CFD)对流场的模拟得到了迷宫密封的流动特征。仿真结果表明,密封槽内流场由中心位置的大涡及两侧槽底的小涡构成,对比两种模拟方法的计算结果与试验结果,发现LBM的计算精度更优。

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.