动压式环瓣浮环密封特性及摩擦磨损研究

普通接触式环瓣浮环密封高速下不开启易造成磨损失效,动压式环瓣浮环一定转速下径向开启并保持无摩擦无磨损稳定运行,具有较好的应用前景。建立动压式环瓣浮环密封固体域及流场数值计算模型,计算开启阻力、开启力、泄漏率及温升,分析动压槽结构参数对密封开启的影响,讨论密封性能随槽型参数的变化趋势。基于数值分析优化参数,试验验证开槽前后密封的泄漏率及温升,讨论不同开启情况下密封的磨损特性。结果表明:优化的动压槽能明显改变主密封间隙中的压力分布,提高流体动压力,实现开启,使密封高速下稳定无摩擦运转并保持较低的泄漏率,大幅度降低摩擦温升,改善密封的摩擦磨损。动压槽最佳深度宜为3~5μm,密封具有较大的开启力;槽宽增大开启力先增大后变缓,过大的槽宽对提高开启力不明显;工作压力增加,密封开启难度增加,可通过增加槽数或提高转速实现开启;动压槽的槽深较大时,密封先迅速磨损后逐渐稳定,具有自磨损、自稳定的特点。

气体润滑环瓣式浮动环密封高速特性

基于气体润滑理论,考虑浮动环瓣力平衡与力矩平衡,对气体润滑环瓣式浮动环密封高速特性开展数值分析研究。计算得到密封面压力分布规律,并分析转速、密封压力等操作参数对平衡膜厚、平衡转角、泄漏量、气膜刚度、刚漏比等密封参数的影响规律。结果表明:密封面楔形收敛间隙可以产生显著动压效应,最小膜厚与环瓣偏角随主轴转速增加而增大,但是随密封压力增加而减小;泄漏率随转速与密封压力增加而增大,气膜静态刚度、角向刚度、刚漏比随转速增加而降低,随密封压力增加而增大。

轴承腔环瓣式浮环密封摩擦热分析

针对航空发动机轴承腔高转速、变压差下的摩擦生热问题,对环瓣式浮环密封的主要参数进行了研究。采用ANSYS有限元软件,建立了密封摩擦发热以边界条件施加的热模型;基于Fluent建立了跑道散热流固热耦合模型,研究了不同阻封气温度、冷却油流量下跑道的温度变化,模拟了温度分布及冷却油散热效果,得出了影响密封发热的主要因素。研究结果表明:密封摩擦发热会引起局部温度过高,产生不均匀热应力导致密封面变形,增大泄漏量,压差、转速等对密封摩擦发热影响很大,应通过减小关闭压力的方式来减少密封的发热;冷却液的冷却效果与跑道的生热量存在极限值,继续增加供油量不会提高跑道的降温效果;该结果可为轴承腔环瓣式浮环密封的摩擦过程研究提供参考。

环瓣式浮环密封表面瑞利台阶型槽气体润滑动压特性

为提高密封气膜的开启能力以满足长寿命设计要求,基于气体润滑理论研究了环瓣式浮环密封表面瑞利台阶型槽的动压特性。采用有限差分方法,数值计算了密封气膜压力分布和动压效应,分析了操作参数和型槽几何参数对密封气膜压力和泄漏率的影响规律。结果表明,表面瑞利台阶型槽可以产生明显的气体润滑动压效应,可使得密封气膜平均压力和泄漏率分别增加38.6%和10.3%;型槽几何参数对动压效应影响明显,槽宽、槽数和槽深的增加均可使气膜平均压力增加;随着槽宽和槽数半径比的增加,无量纲平均压力先增加后减小。

基于微分求积法的环瓣式浮环密封动压润滑特性理论研究

以Lagrange多项式为微分求积法(DQ)的基函数,应用局部DQ-Lagrange方法求解环瓣式浮环密封Reynolds方程,建立基于局部微分求积法的环瓣式浮环密封流体动压润滑特性的求解模型,并通过与CFD结果的对比验证微分求积法的准确性。结果发现,局部微分求积法可用较少的节点得到较高的求解精度,建立的基于局部微分求积法的求解模型可准确计算环瓣式浮环密封的动压润滑特性。采用微分求积法计算并分析浅槽结构参数与工况参数对密封气膜压力分布的影响规律,结果表明:浅槽结构可以产生明显的流体动压效应,密封压力峰值随着浅槽深度的增大先增大后减小,随着浅槽宽度的增大而减小,但下降幅度不大;随着密封间隙减小,压力峰值逐渐增大,随着进出口压比的增大,密封压力峰值增大。