Effects of Geometry on Leakage Flow Characteristics of Brush Seal

In order to better application of brush seal in rotating machinery,the leakage flow characteristics of the brush seal considering geometry effects are numerically analyzed using Reynolds-Averaged Navier-Stokes( RANS) model coupling with a non-Darcian porous medium model. The reliability of the present numerical method is proved,which is in agreement with the experimental and numerical results from literatures. Three different bristle pack thicknesses,fence heights and initial clearances under different pressure ratios,rotational velocities and other operating conditions are utilized to investigate the effects of geometry modification on the brush seal leakage flow behaviors. It discusses the effectiveness of various geometry configurations outlining important flow features. The results indicate that the increase of fence height and clearance would lead to the increase of leakage rate. But the leakage is not linearly with respect to the bristle pack thickness,and the effect of rotational velocity is not obvious. Moreover,the detailed leakage flow fields and pressure distributions along the rotor surface,free bristle height,and fence height of the brush seals are also presented. The static pressure drop amplitude through the bristle pack and the pressure rise amplitude through the cavity would increase while the pressure differential increases. And the axial pressure is the main reason of bristle blow down. The results provide theoretical support for the brush seal structure optimal design.

盾尾刷-油脂腔密封系统油脂逃逸规律研究

油脂逃逸导致油脂腔内压力降低,由此诱发的盾尾密封系统漏水、漏浆等安全责任事故屡屡发生。研制盾尾刷密封系统油脂逃逸的单元体试验装置,采用逐级加压将油脂注入盾尾密封系统油脂腔内,每级压力持续420 s,记录不同盾尾间隙及不同油脂锥入度工况下腔内的密封油脂开始逃逸时的油脂注入压力值、以及逃逸后储油装置中密封油脂的稳定损耗速率,最终获得了盾尾密封系统的油脂逃逸规律,并总结了盾尾油脂的逃逸模式。研究结果表明:1)油脂逃逸速率主要受油脂锥入度和油脂压力的影响,根据油脂逃逸规律变化曲线,油脂逃逸速率可以分为不逃逸、低速逃逸、快速逃逸3个阶段。油脂不逃逸至低速逃逸的油脂压力称为油脂逃逸压力,油脂低速逃逸与快速逃逸之间的油脂压力值为油脂腔内外压差控制值;2)建立了油脂逃逸速率和工程中油脂消耗量的对应关系,结合工程中每环盾尾油脂允许消耗量可实时判断盾尾刷密封性能;3)当油脂锥入度小于286.4(1/10 mm),盾构姿态与管片姿态控制良好时(盾尾平均间隙为75 mm),在水土压力及同步注浆压力基础上最大可增加0.3 MPa的油脂压力,提出的油脂腔内外压差控制值可指导实际工程盾尾油脂压力设定最大值;4)油脂逃逸模式可划分为无逃逸、非均匀逃逸和均匀逃逸3种模式并得出其发生条件。该研究对于指导盾尾密封性的设计及施工有着基础性的意义。

有压差下全接触刷式密封迟滞特性数值研究

刷式密封迟滞特性引起的泄漏问题、摩擦磨损问题及流动换热问题较为突出。刷式密封迟滞特性数值模型呈现接触对多、刷丝大变形的特点,存在非线性程度较高、收敛性较差的问题。提出了基于有限元软件ABAQUS的刷式密封迟滞特性求解模型,考虑刷丝之间接触、刷丝与背板接触、刷丝与转子之间接触,引入阻尼提高模型收敛性。在数值计算与实验结果、理论计算对比验证的基础上,研究了刷丝自由端长度、刷丝直径、刷丝倾斜角度以及上下游压差对迟滞特性和接触力最大值的影响程度。研究结果表明:随着上下游压差、直径的增大,刷式密封迟滞特性呈现增加的趋势,而刷丝倾角的增加导致迟滞特性呈现递减的趋势,刷丝自由端长度的改变对迟滞特性的影响较小;刷丝直径是影响刷丝与转子之间接触力最大值的主要因素,刷丝倾斜角度对接触力最大值有一定程度影响。上述研究为分析刷式密封迟滞特性提供了理论依据,为降低迟滞特性提供了参考。

采用叉排管束模型的刷式密封刷丝束变形特性研究

采用刷式密封三维叉排管束泄漏流动数值模拟与有限元分析模型相结合的流固耦合方法,研究了刷丝束在气动载荷作用下的变形特性。通过数值求解三维雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程组和SSTk-ω湍流模型,获得了刷丝束气动载荷,刷丝束有限元接触模型综合考虑了刷丝束内部存在的摩擦接触力。研究表明:随着压比的增大(1.5~3.0),刷式密封泄漏流量系数增大的趋势逐渐减缓,第5~9排刷丝承受压差占比从60%增长至70%,转速对刷式密封泄漏流场影响微弱。刷丝所受周向和径向气流力大小相当,二者合力方向与刷丝垂直,轴向气流力则是周向、径向气流力的13.6~18倍。较大轴向气流力使刷丝在围栏高度区域向下游发生轴向弯曲,压比为1.5、2.0、2.5和3.0时,刷丝束最大轴向变形量分别为0.077、0.096、0.114和0.130mm。较小周向、径向力以及后排刷丝与后夹板之间较大摩擦接触力,使刷丝周向和径向变形量很小。刷丝束所受轴向气流力与法向气流力的比值可用于分析刷丝周向变形滑移。所建立的基于刷式密封叉排管束模型的流固耦合方法为分析刷丝束变形特性提供了研究途径。

考虑转轴伸长效应的刷式密封泄漏流动和摩擦传热特性

为研究转轴伸长效应对刷式密封的泄漏量与摩擦传热特性的影响,建立了考虑转轴伸长效应的刷式密封流热固模型的泄漏流动和摩擦传热特性数值模型。通过数值求解三维雷诺时均(RANS)方程和多孔介质模型局部非热平衡能量方程的方法研究了刷式密封流动传热特性;采用有限元法方法,研究刷式密封非线性接触和转轴伸长特性,研究了转速、压比等不同工况和前、后夹板与转轴径向间距等几何参数对刷式密封的泄漏流动、摩擦传热特性的影响规律。研究结果表明:相比于不考虑转轴伸长,考虑转轴伸长时刷式密封泄漏量减小,刷丝束最高温度明显升高;刷式密封泄漏量随压比的增大,前、后夹板与转轴间隙的增大而增大,随转速的增大而减小;随着压比增大,刷式密封最高温度越高,但刷丝束平均温度降低。随着转速增大,刷式密封最高温度显著提高,转速从1000 r·min^(-1)增长到4000 r·min^(-1)时,刷丝束最高温度增加了约86%。随着前、后夹板与转轴面的间距增大,刷丝束最高温度先升高、后降低。研究为刷式密封运行工况下的流动传热特性分析提供了一定的参考。

基于刷丝束叉排管束模型的透平机械刷式密封泄漏流动特性和封严机理研究

【目的】为获得刷式密封的精细化泄漏流动特性,并揭示其封严机理,建立基于刷丝束叉排管束模型的刷式密封泄漏流动特性数学模型。【方法】数值求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(shear stress transport,SST) k-ω湍流模型,研究刷式密封泄漏量和刷丝束间隙的流动特性。数值模拟获得的泄漏量和压力分布与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。获得了4种压比和转速下的刷式密封泄漏量和刷丝束间的泄漏流动曲线。【结果】随着进出口总静压比的增大,刷丝束内部开始出现细小漩涡并逐渐发展,对泄漏流的阻碍作用变大,刷式密封泄漏量增大的趋势逐渐减缓,最后一排刷丝承受的压差占比从13.1%增加至26.3%。【结论】在所研究的转速范围内,转速对刷式密封的泄漏量的影响可以忽略。压比不同时,泄漏流在末排刷丝与后夹板间隙处的径向流动与围栏高度处轴向流动强度存在差异,导致后夹板下方涡系结构不同,通过刷丝束间精细化泄漏流动分析,揭示了刷式密封的封严机理。研究结果可为三维叉排管束模型在刷式密封泄漏流动研究中的应用提供参考。

高弹性刷式密封刷丝轴向变形规律流固耦合研究

为探究刷丝弹性模量对刷式密封轴向变形影响规律,基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)显式动力学流固耦合方法,计算对比了新型高弹性材料刷丝SOFN和传统材料刷丝GH605在相同的刷式密封结构下、不同压差下的泄漏特性、轴向总体变形、刷丝自由端轴向变形与扰动以及不同弹性模量的理想刷丝轴向变形规律。得出结论:在不同压差下刷丝材料为SOFN的刷式密封和材料为GH605的刷封的泄漏量基本一致;在高压差条件下,GH605前排刷丝出现逆轴向大变形导致刷丝分离引起密封失效;SOFN刷丝比GH605刷丝有更小的轴向弯曲变形与轴向扰动,在0.2 MPa,0.4 MPa,0.6 MPa压降下轴向变形量最大降低了3.5%,2.7%和2%;轴向扰动量最大降低了37%,24%和32%。存在一个最佳的弹性模量范围,使刷丝的变形量最小。验证了SOFN刷丝有更高的承压能力,有效提高刷式密封性能。

不同温度下柔性刷丝HVOF涂层摩擦磨损及氧化行为研究

目的研究不同温度下柔性刷丝HVOF涂层接触界面的摩擦磨损行为。方法在销盘摩擦磨损试验机上采用法向载荷2 N,转速900 r/min,对L605刷丝材料与HVOF涂层配副进行不同温度下的摩擦磨损试验,分别利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦试验后不同温度(200~600℃)下的刷丝端面进行观察,并对其表面化学成分的价态进行分析。结果柔性刷丝界面的摩擦因数在0.5~0.9之间,且摩擦因数随着温度的升高而降低,摩擦因数曲线的波动程度则随温度的升高而加剧。随温度的升高,柔性刷丝界面的摩擦磨损状态由三体磨损逐渐转向二体磨损。摩擦界面EDX分析表明,接触界面的氧含量分布存在差异,随温度升高,刷丝表面氧含量增加,且XPS结果表明,不同温度工况下摩擦磨损界面氧元素的结合能并不相同。结论柔性刷丝接触界面的磨损机制以氧化磨损为主,在400℃以下,柔性刷丝界面的磨损机制主要表现为氧化磨损和磨粒磨损,再转变为氧化磨损与黏着磨损共同作用。此外,柔性刷丝界面形成不同的磨损氧化产物,当温度高于400℃时,氧元素的结合能呈现双峰。

挡板结构对刷式密封泄漏流动特性的影响

为研究前后挡板结构对刷式密封压力和流场的影响规律,采用非线性Darcian多孔介质模型,分别建立6种不同前后挡板结构的刷式密封求解模型,通过与相关实验数据对比,验证模型的合理性,采用ANSYS软件对刷式密封进行数值分析,研究不同前后挡板结构下的刷丝束压力和流场分布特性。研究结果表明:压比和挡板结构对刷式密封封严性能起到关键作用;刷式密封的泄漏量随着压比增大而增大,长前挡板结构能够减小泄漏量,基本型和环形腔型后挡板结构的泄漏量基本没有区别,通腔后挡板结构会使泄漏量显著增长;长前挡板结构能够减小刷丝束内压力,后挡板结构对刷式密封的压力分布起到决定作用;通腔后挡板能够消除部分径向压力梯度,提高刷式密封寿命,但会造成泄漏量增长。

刷衬-篦齿密封泄漏流动特性数值模拟研究

为进一步提高空气涡轮火箭发动机(Air-Turbo Rocket Engine,ATR)在高封严压差下的密封性能,同时避免接触式刷式密封摩擦升热问题,建立了刷衬-篦齿密封结构和数值模型,在已有刷束泄漏流动实验数据验证模型准确性的基础上,计算了刷衬-篦齿密封不同结构参数下的流场、压力分布和泄漏流量,分析了刷衬-篦齿密封各主要结构参数对密封性能的影响,结合参数与泄漏流量之间的关系,改进了刷衬-篦齿密封的结构。结果表明,刷衬-篦齿密封泄漏的主要来源为篦齿与刷束之间间隙的“透气效应”,减小篦齿与刷衬之间的间隙、刷丝直径、刷丝自由高度可不同程度地减小泄漏率;而减少齿数、刷束厚度、齿顶宽度、篦齿间距、刷束密度等参数则导致泄漏的增加,其中篦齿与刷衬之间零间隙泄漏率约为间隙0.3 mm时的23%;改进后的刷衬-篦齿密封泄漏率较原刷衬-篦齿密封低8.9%,密封性能得到进一步改善。

一种简易的自动刷印油印章机的研究与制作

研究设计的简易自动印章机包括机械支架、带曲柄连杆机构的直流电机、漫反射光电传感器、自动上印油装置。该机成本低,印章时间短,满足日常办公需求。

基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论,设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置,设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘,实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响,通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量,获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明:刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定,随着干涉量的增大而升高,干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm,刷丝平均最高温升达39.96℃;最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高,随着后挡板保护高度的增大而降低;当刷丝材料为钴基高温合金GH605时,最佳转子涂层材料为WC,当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时,最佳转子涂层材料为ZrO_(2),此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量,且耐磨性能高于其他匹配材料。

地铁盾构洞内盾尾刷更换技术研究

土压平衡盾构穿越承压水、透水地层时,盾尾刷会出现严重磨损,止水效果变差,对盾构隧道的掘进质量、安全等造成严重影响。因此,盾尾刷的快速更换对施工安全和工程质量至关重要。徐州地铁6号线一期工程市紫区间右线掘进过程中,通过洞内更换盾尾刷技术进行研究,提出土压平衡盾构机掘进期间进行安全、高效的洞内盾尾刷更换技术措施。结果表明,洞内快速更换盾尾刷安全快速可行。

基于流固耦合的混合刷式密封流场特性与密封性能分析

刷丝在密闭气流的同时,受到高压降流体的影响,易造成不可恢复性形变和结构损耗,使得间隙间的气体泄漏量增加,加剧发动机推力的损耗。本文采用流固耦合模型,基于刷式-迷宫密封结构建立了混合刷式密封模型,进行了密封流场的非定常数值模拟,探究不同进出口压差条件下密封结构泄漏流动和结构形变特性,并结合泄漏量数据分析了混合刷式密封结构的密封效果。研究结果表明:受进出口气压差的影响,混合刷式密封的刷丝最大位移量超过刷丝束间隙值,其中处于刷丝束轴向末端的刷丝固定端是最容易发生损耗的危险位置。同工况下,混合刷式密封比刷式密封结构泄漏量可减少约18%。刷丝束整体随着压降的增加,在具有更大径向吹下量的同时也伴随着更强的刷丝扰动,但混合刷式密封流场中存在的气流涡旋可以消耗一部分气体能量,减小气流的泄漏速度,对不同压差条件的影响具有一定的适应能力。

燃气轮机刷式密封泄漏特性试验研究

刷式密封具有较好的密封效果,在重型燃气轮机领域获得了广泛应用。开展燃气轮机刷式密封泄漏特性试验研究,比较分析不同间隙条件下刷式密封的密封效果。结果表明:在特定试验条件下,刷式密封流量系数随压比的增大略有下降,随转速的升高略有下降,随密封间隙的减小而降低,并且当密封间隙小于临界密封间隙时,刷式密封比迷宫密封具有更好的密封效果。试验结果可以为刷式密封在燃气轮机上的设计应用提供重要参考。

刷式密封研究的进展

刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一 ,已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。刷式密封在转子瞬间大幅径向位移后可保持密封间隙不变。其泄漏量是梳齿密封的 1/ 5～ 1/ 10 ,使发动机耗油率降低约 2 % ,并能改善转子运行的稳定性。刷毛是直径一般为 0 .0 5～ 0 .0 7mm的细金属丝 ,其自由端与轴表面接触。基金项目 :国家重点基础研究发展规划基金资助项目(G19990 2 2 30 4)。SubsidizedbytheSpecialFundsformajorStateBasicResearchPro jectsofChina(G19990 2 2 30 4) .刷毛材料一般为钴基耐热合金Haynes2 5 ,轴表面喷涂一层硬质涂层 ,如陶瓷ZrO2 等。刷式密封可以承受的转子线速度已超过 3 0 5m/s,运行温度达 690℃。长期的性能实验探索出了刷式密封结构尺寸对密封性能影响的一般规律。随机分布有效厚度模型是一个半经验理论分析模型 ,较好地建立了刷式密封结构尺寸、工作环境参数与密封性能之间的关系 。

直流无刷电机驱动的水下电缆绞车系统

水下电缆绞车多采用液压驱动,但液压驱动存在无效动力转换,能源使用率不高,因此直流无刷电机驱动的水下电缆绞车具有实际意义。采用直流无刷电机驱动,不仅提高了水下电缆绞车系统的能源利用率,而且改善了系统的调速性能。与直流有刷电机相比,直流无刷电机可实现充油均压密封,更有利于在水下工作。介绍了直流无刷电机驱动水下电缆绞车的组成、功能及工作原理,针对研制的专用水下直流无刷电机,重点论述了其充油密封原理和工艺,并设计了一种全新的低成本高性能驱动控制电路。该水下电缆绞车系统已初步调试完毕,试验表明各项性能良好,即将投入实际应用。它具有结构简单,工作可靠,成本低的优点,因此在实际工程应用中具有推广意义。

航空发动机高温高速密封试验台研制

由于缺少试验装置,目前国内不能对航空发动机密封装置进行全工况条件下的试验研究。研制一种能模拟航空发动机密封装置的全工况条件的密封试验台,对某刷式密封试验件进行静态和动态试验。该高温高速密封试验台能模拟航空发动机密封装置的工作温度、压力、安装方式及工作转速等工况,可对密封装置的静动态试验的泄漏量进行测量,为密封装置的设计和改进提供可靠的试验依据。

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.

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-Darcian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。