高速高温条件下刷式封严环涂层与刷丝摩擦副磨损行为

目的研究高速高温刮削条件下NiCr-Cr_(2)C_(3)涂层和SG37合金刷丝组成的摩擦副的磨损行为。方法利用自制的高速高温刮擦试验机,在不同进给速度和过盈量条件下进行封严环涂层与刷丝摩擦副的高速高温刮削试验。用轮廓测量仪测量刷式封严环表面涂层的磨痕深度。用超景深显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察涂层及刷丝样品的原始形貌和磨痕形貌,并利用配备的EDS能谱仪分析磨痕表面元素成分,同时分析了摩擦过程中的磨损机理。结果NiCr-Cr_(2)C_(3)涂层与SG37A合金刷丝在高速高温刮擦过程中发生了磨粒磨损、黏着磨损和刷丝材料向涂层的转移。刷丝之间也存在摩擦变形和磨损,这主要是由于刷丝与刷丝在磨损过程中发生了高温变形和挤压,由于“拖尾”现象的存在,使刷丝尖端的变形和挤压更加明显,高温下金属流动性的增加进一步促进了菱形的形成。通过分析不同过盈量和进给速度对磨痕深度的影响,发现过盈量和进给速度均对涂层磨痕深度存在影响,随过盈量和进给速度的增加,涂层磨痕深度增大。结论高速高温的苛刻工况下,刷丝在磨损过程中具有显著的变形,并且过盈量对封严环涂层和刷丝样品磨损的影响更大。

模拟刷式封严泄漏流动的多孔介质模型

将刷束处理为多孔介质,在动量方程中引入由于多孔介质对流体流动的阻碍作用而引起的动量源项,之后详细分析了刷束孔隙率的确定方法并根据实验结果确定了该孔隙率,从而建立了模拟刷式封严泄漏流动的多孔介质模型.对该模型的计算结果做进一步的修正后,可以与实验结果很好地吻合,证明了利用该模型预测刷式封严的泄漏量是可行的.

刷式封严初期使用特性的实验和数值研究

为了获得刷式封严在使用初期的泄漏特性,分别对两组实验件进行了27小时和50小时的泄漏特性实验,并利用多孔介质模型对实验结果进行了数值分析。实验表明:在使用初期,刷式封严的泄漏量与上下游的压差成正比;随着使用时间的增加,其泄漏水平逐渐降低直至最后趋于稳定。数值分析表明:在使用初期,刷丝排列由最初的疏松状态逐渐趋于紧密,并最终稳定在接近于紧密差排的状态,刷丝排列状态的变化改变了刷束的孔隙率,从而改变了刷束对流体泄漏的阻力,导致了刷式封严泄漏水平的变化。

刷式封严流动和换热的数值模拟

对刷式封严的流动和换热进行了数值模拟。计算中对结构复杂的刷丝部分采用多孔介质处理，用Ｄａｒｃｙ定律取代动量方程，能量方程采用改进形式，而对其它部分采用简单的矩形网格进行完全Ｎ－Ｓ求解。Ｄａｒｃｙ定律的扩散系数由所提出的实验方法确定。典型的计算结果显示所提方法是正确、合理而可行的。

刷式封严磨损特性及其对泄漏影响的试验研究

为了获得刷式封严磨损特性及其对泄漏影响,对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严进行了试验研究,试验测量了磨损量、泄漏量和转子轴心轨迹等。根据测量结果对各配合刷式封严的磨损特性和磨损对泄漏影响进行了研究。分析结果显示,在磨损特性方面:间隙配合状态下,磨损是局部磨损;过盈配合状态下,磨损发生在整个试验阶段,在试验初始阶段磨损较严重,且磨损较为均匀地发生在整个圆周;过渡配合的磨损发生在整个圆周上,且其磨损不均匀。在磨损对泄漏影响方面:间隙配合状态下,试验初始阶段小压差下磨损对泄漏的影响不明显,在中等压差0.2~0.3MPa时较为明显;过渡配合,磨损对泄漏的影响在小压差和中等压差下较为明显,大压差下不明显;过盈配合下,磨损对泄漏的影响发生在整个试验阶段且磨损对泄漏的影响随磨损量变化的减小而逐渐减小,试验的初始阶段磨损对泄漏的影响最为明显;试验的初始阶段,过盈配合时磨损对泄漏影响最大,过盈配合时次之,间隙配合时最小。

刷式封严结构泄漏特性的数值研究

为了简化工程设计,将刷束区域处理为多孔介质模型并建立控制方程,其区域内压力对空间坐标的导数作为动量方程中的源项,推导出动量源项中的黏性损失系数和内部损失系数,从而建立了模拟刷式封严结构泄漏流动的多孔介质模型。采用FLUENT软件对刷式封严结构的泄漏特性进行数值模拟,并根据试验结果对计算模型进行修正,使计算结果与试验结果比较吻合。用修正的多孔介质模型对刷式封严结构的泄漏流场进行了分析,分析结果具有一定的工程意义。

低泄漏高寿命刷式封严的数值计算

通过空气动力学计算方法探索新型低泄漏高寿命三层片式刷式封严结构。利用商用计算流体力学软件STAR-CD,用定常可压缩N-S方程对刷封进行三维流动模拟,计算不同压差下的泄漏情况。以泄漏量作为评价指标,确定新型刷式封严结构的密封特性并对其进行改进。计算结果表明:随着进出口压差的增大,泄漏量增大;改进的封严刷环结构泄漏性能优于简单的片式刷封结构;"70度模型"的泄漏性能略好于"75度模型",说明增加层与层间的夹角可以达到减少泄漏量的效果。

镍基耐高温自润滑刷式封严涂层研究

为满足先进航空发动机刷式封严对涂层材料自润滑耐磨性能的要求,采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY-Cr_2O_3和NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo两种复合涂层;采用扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和高温摩擦磨损试验等分析测试手段研究了涂层的物相组成、微观结构、力学性能以及摩擦磨损性能。结果表明:研制的两种新型涂层具有较低的孔隙率、较高的显微硬度和结合强度,从20℃到800℃的磨损量都在10^(-5)mm^3·N^(-1)·m^(-1)数量级,显示出优异的耐磨性能;NiCoCrAlY-Cr_2O_3涂层在摩擦系数随着温度的升高而降低,在800℃达到最低值0.3;NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo涂层从400~800℃的摩擦系数一直保持在0.23左右。对其摩擦机理的研究表明:400℃时涂层与高温合金GH4145对磨件之间形成连续的含Ag润滑膜,600℃以上时摩擦表面生成的Ag_2MoO_4自润滑相显著降低了涂层的摩擦和磨损。

低泄漏高寿命刷式封严的实验研究

以相似理论为依据,通过空气动力学的实验方法探索新型低泄漏高寿命3层片式刷式封严结构。以空气泄漏量作为评价指标,确定新型刷式封严结构的密封性并对其进行改进。实验结果表明:改进的3层片状刷式封严结构的密封泄漏特性优于简单的片状刷封结构;随着3层片状刷封进出口压差的增大,泄漏量也随之增大。

基于正交试验法的刷式封严泄漏特性数值研究

为了研究刷式封严的泄漏特性,针对刷环外径Do,刷环内径Di,刷丝直径d,刷丝排列角度β,刷束厚度B,后挡板保护高度HF以及上下游压差Δp,环境温度T和转子转速N等9个影响刷式封严泄漏特性的主要参数,依据正交试验原理设计了32个封严结构模型,对零间隙配合时各参数对泄漏特性的影响进行了数值研究。研究结果表明:在给定的参数范围内,上述参数对刷式封严泄漏量的影响程度有明显区别,其影响程度由主到次的顺序为:Δp→Di→Do→B→d→HF→β→T→N。根据以上正交试验结果可以推断泄漏量最小的刷式封严结构,并用数值计算证明了其泄漏量最小。

非金属刷式封严泄漏特性试验与仿真研究

以碳基纤维材料为刷丝制备一种新型非金属刷式封严,搭建专门装置评估该刷式封严的封严性能和流动特性;采用多孔介质模型模拟刷丝束区域,并仿真计算获取该封严的泄漏和内部流动特性。试验与仿真研究均表明,压差增加导致泄漏增加,转速对泄漏影响不明显;仿真计算结果表明,压差主要发生在刷丝束区域,压差越大,后腔射流形成的旋涡强度越大;耐久性试验表明,经初始磨合过后,刷式封严性能较稳定,满足封严要求,但经更长时间的耐久性试验后,碳基纤维刷丝刷式封严性能出现严重下降,表明其耐久性仍有待提高。

低前挡板型小尺寸刷式封严泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了实验研究.转子的轴心位移采用电涡流传感器进行测量,其测量结果表明:压差小于0.4MPa时,转子轴心位移随压差的增大略有减小;当压差达到0.4MPa后,其轴心位移范围不再随压差而变化;在不考虑磨损的情况下轴心位移对不同配合状态的封严泄漏特性基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上,试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小;间隙配合下有明显的滞后,过盈配合下滞后不明显;磨损对泄漏的影响在过盈配合下比较显著;间隙配合下压差在0.1~0.2MPa泄漏系数随压差的升高而增大,压差为0.3MPa时泄漏系数降低,0.3MPa以后泄漏系数变化趋于稳定;过盈配合下泄漏系数随压差的升高总体呈增大趋势,压差在0.3~0.5MPa时增大的趋势较小,泄漏系数较为稳定.

旋流对刷式封严刷丝变形影响的流固耦合研究

采用刷式封严三维流动数值模拟与刷丝变形力学分析模型相结合的流固耦合方法,研究了刷丝与转子有/无径向间隙条件下,进口旋流对刷丝变形运动及刷式封严泄漏特性的影响规律。该方法能够模拟刷丝束内部细密结构的流动细节,变形求解综合考虑了气流气动力、刷丝与转子、刷丝与后挡板以及刷丝间接触力作用。研究表明,进口旋流会严重影响上游刷丝的变形运动,并且随旋流增大,刷丝变形加剧;当刷丝所受法向力与轴向力的比值大于某一临界值时,刷丝将发生周向滑移气动弹性失稳、密封性能下降。相比于无密封间隙情况,刷丝与转子密封间隙为0.2 mm时,刷式封严能够承受更高的旋流速度,也即具有更高的稳定性。

航空发动机封严技术的进展

封严技术一直是高性能航空发动机研发工作的重要组成部分,先进封严技术是满足发动机耗油率、推重比、污染物排放、耐久性及寿命期成本目标的关键技术。通过减少发动机内部气流的泄漏量,可大大提高发动机的性能和效率。本文针对航空发动机典型封严技术,详细介绍了石墨封严、篦齿封严、刷式封严的结构特点及其技术改进和发展趋势。重点阐述了德国MTU公司开发的新型刷式封严技术,其独特的结构解决了刷式封严掉毛这一技术难题。

氧化对含氟化物共晶耐磨自润滑涂层机械和摩擦学性能影响

目的考察NiCr/Cr_(3)C_(2)−BaF_(2)/CaF_(2)涂层在高温氧化环境下成分与结构变化,着重研究氧化对涂层机械和摩擦学性能影响。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备出NiCr/Cr_(3)C_(2)−BaF_(2)/CaF_(2)涂层,对涂层进行700、800、850℃氧化处理,借助扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、力学性能试验机和高温摩擦磨损试验机等设备,比较了喷涂态涂层与氧化处理后涂层的微观结构、物相成分及机械和摩擦学性能。结果涂层在700℃以上氧化环境中,会发生氧化诱导下以氟化物润滑相表面迁移和表面Cr选择性氧化等行为构成的铬酸盐反应。该反应在850℃时会使涂层性能形成“嬗变”,在该温度下氧化处理后涂层的结合强度由喷涂态的75 MPa急剧下降至20 MPa,涂层近表显微硬度由735HV下降至190HV;此外,涂层在300℃时体积磨损率由喷涂态的2.19×105 mm^(3)/N·m剧增至16.3×105 mm^(3)/N·m。结论高温氧化诱导下的铬酸盐反应,不仅会破坏涂层中粘结相、耐磨相和润滑相的分布均匀性,而且会使涂层孔洞、裂纹等缺陷显著增加,由此导致涂层的机械和摩擦磨损性能大幅下降。对于工作时摩擦闪温超过800℃的含氟化物刷式封严涂层而言,涂层在经历闪点后所发生的性能“嬗变”是其短期失效的重要因素。提高涂层的抗氧化性能、降低高温下铬酸盐反应烈度将会是改善涂层失效的有效方法。