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。

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。

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。

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。

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。

高预旋下刷式密封泄漏和转子动力特性

为了揭示高进口预旋下刷式密封的封严性能和转子稳定性,基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立刷式密封数值分析模型,研究高进口预旋下(预旋比λ>0.8)压比以及转子自旋速度对刷式密封泄漏特性和转子动力特性的影响规律,同时对比分析低进口预旋条件下的计算结果.数值计算5种压比(2.0,3.0,3.5,4.5,5.5)和5种转子自旋速度(3000,6000,7500,9000,12000 r/min)下刷式密封的泄漏特性和转子动力学特性.研究发现:高预旋条件下刷式密封泄漏量小于低预旋条件下;高预旋条件下刷式密封直接刚度和交叉刚度均大于低预旋条件下,且随压比增大而增大;高预旋条件下的交叉刚度始终为较大的正值;转子自旋速度对低预旋条件下刷式密封直接刚度的影响较小,而高预旋条件下的直接刚度随转子自旋速度增加以较缓慢的趋势下降;转子自旋速度增加,高预旋条件下的交叉刚度增加幅度大于低预旋条件下,进而导致有效阻尼下降.

基于多孔介质LTNE模型刷式密封动力学特性研究

密封动力特性是衡量密封转子系统稳定性的核心指标,刷式密封几何参数是影响动力学特性的重要参数。建立刷式密封转子动力特性的数值预测模型,数值分析刷束厚度、栅栏高度及刷丝与转子之间间隙,对刷式密封动力特性的影响。研究结果表明:随刷丝束厚度和间隙的增加,直接刚度系数K整体上先减小后增加。随栅栏高度增加,K呈现先增加后减小的趋势;交叉刚度系数k随刷束厚度和间隙的增加,数值上先增加后减小。随栅栏高度增加,k呈现先减小后增加的趋势;直接阻尼系数C随刷束厚度和栅栏高度的增加,在0值附近变化,并无明显影响。随间隙增加,C整体上先减小后增加;压比为5时,交叉阻尼系数c随刷束厚度的增加一直在增加。随间隙的增加整体上呈现先增加后减小的趋势。该研究为刷式密封转子系统稳定性的提高提供理论依据。

航空发动机刷式密封迟滞特性数值研究

为揭示刷式密封的迟滞规律,针对其结构特点,采用有限元方法分析了刷式密封系统动力学参数和结构工况参数之间的关系,在刷丝受力分析的基础上建立刷式密封系统质量—弹簧—阻尼等效动力学模型,研究了结构和工况参数对迟滞量、迟滞率和迟滞时间的影响规律,并进一步分析了结构参数对刷式密封迟滞特性影响的灵敏度。研究结果表明:迟滞量和迟滞率随刷丝直径的增大而减小,随刷丝长度、刷丝排列角度、后挡板保护高度的增大而增大;后挡板保护高度对迟滞时间没有影响。结构参数对迟滞量影响的灵敏度由小到大依次为后挡板保护高度、刷丝直径、刷丝排列角度、刷丝长度。将难以分析的数值模型转化为可控数值计算的研究方法,可为刷式密封的多目标结构优化研究提供一种新的研究思路。

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。

无压差下刷式密封刷丝的力学特性分析

进一步研究刷式密封的迟滞特性,对无压差下刷式密封的刷丝力学特性进行研究。首先对无压差工作下的刷式密封的刷丝进行受力分析,基于大变形理论对刷丝的形变进行求解得出解析解。然后使用ABAQUS商用软件构建无压差下刷式密封迟滞特性模型,与前人的数据进行对比验证模型的正确性。最后将刷丝的形变数值模拟结果与解析解结果进行对比。研究结果表明,所建立的无压差下刷式密封迟滞特性模型与前人数据基本一致,解析解与数值模拟结果误差很小。

沥青路面预防性养护技术浅析

公路预防性养护是为防止病害发生或轻微病害扩展、减缓路面使用性能衰减采取的主动养护措施,不同的沥青路面早期病害应选取不同的预防性养护措施。针对冷拌冷铺罩面、涂刷碎石封层、渗透性雾封层3种预养护技术的含义、技术特点、适用范围以及施工工艺进行了详细介绍,为沥青路面选取有效的预养护措施提供技术参考。

基于Miner线性累积损伤理论的刷式密封疲劳寿命数值研究

基于Miner线性累积损伤理论对刷式密封刷丝的疲劳寿命进行分析,采用Goodman平均应力修正理论对刷丝材料的S-N曲线进行修正,利用有限元静力学和疲劳寿命分析方法建立刷式密封刷丝的疲劳寿命分析模型。在验证数值模型准确性基础上,通过分析刷式密封刷丝的不同结构参数对刷丝疲劳寿命的影响,对刷式密封刷丝的结构参数进行优化。研究结果表明:刷式密封刷丝容易失效的区域主要为刷丝根部区域,其次为刷丝中间区域;在刷丝材料的屈服应力内,随着最大应力幅值的增加,刷丝的疲劳寿命降低;随着刷丝直径的增大,刷式密封刷丝的疲劳寿命降低,随着刷丝倾角和刷丝长度的增大,刷丝的疲劳寿命逐渐增加;当刷式密封的刷丝直径为0.08~0.12 mm,刷丝倾角为45°~55°,刷丝长度为8~12 mm时为刷式密封刷丝可获得最佳的疲劳寿命。

盾构盾尾密封承压能力研究与试验

为验证经验中盾构(全断面隧道掘进机)尾刷密封的承压能力,探究影响尾刷密封承压能力的主要因素和失效路径,采用原理分析法和模拟试验法,引入“尾刷密封单元”和“尾刷密封系统”的概念,全面分析尾刷密封构成要素和承压原理,分析、对比盾尾油脂耐压试验与“尾刷密封单元”承压能力的差异,并结合失效案例,推断影响承压能力的主要因素。根据推断模拟尾刷密封一般工况设计试验方案,发现:1)“尾刷密封单元”承压失效的主要形式为压力水透过盾尾刷焊接结构孔隙和弹簧板拼接缝孔隙,沿盾尾油脂与盾体内壁黏合不充分的地方贯穿失效;2)验证在试验所代表的技术条件下,1个“尾刷密封单元”的承压能力约为0.2 MPa及多个“尾刷密封单元”承压能力可叠加特性的正确性,直观地发现限制“尾刷密封单元”承压能力在0.2 MPa的主要原因为易形成贯穿缝,为研究和设计更高承压能力的“尾刷密封系统”提供较有力的证据支撑。

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 。