蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明:蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下(封严间隙大于0.5 mm),蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动(频率大于120 Hz)时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。

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。

偏心工况下梳齿、蜂窝与蜂窝-梳齿密封的泄漏特性

针对化工行业中透平机械运行过程中梳齿及蜂窝密封存在的偏心问题,本文搭建了高速旋转密封试验装置,通过试验真实还原化工行业高速旋转机械不同密封径向偏心和角向偏心工况,开展了不同径向与角向偏心状态下的不同结构密封的泄漏特性试验研究,揭示了偏心下梳齿密封、蜂窝密封及蜂窝-梳齿组合密封的封严机理,为化工透平机械的梳齿密封与蜂窝密封的设计与优化提供理论支撑。本文主要对比了梳齿密封、蜂窝密封及蜂窝-梳齿组合密封在径向偏心与角向偏心工况下的泄漏特性。主要结果表明:蜂窝-梳齿结构在所有测试条件下泄漏率最大,但其对偏心的敏感程度最低,受偏心的影响程度最小;蜂窝-光轴结构在所有测试条件下泄漏率最小,可以有效阻碍气体流动;梳齿-光轴结构在所有测试条件下对偏心的敏感程度最高,受偏心的影响程度最大,体现出显著的不稳定性。

透平机械轴端非接触密封研究进展

本文对石油、化工、电力等过程工业中普遍使用的透平机械轴端非接触密封进行了介绍,分别是迷宫密封、蜂窝密封和动压式干气密封。阐述了其基本结构特点、密封原理和使用范围,详细介绍了当前的研究进展,并对比分析三种密封的差异,为相关行业的技术人员提供参考。

离心式压缩机密封动态特性分析及稳定性评价

稳定性问题是离心压缩机在向高端化方向发展过程中遇到的主要瓶颈,密封间隙内流体周向流动导致的压力在圆周方向不均匀分布是导致失稳的主要原因。采用数值模拟的方法预测密封的动力特性系数,有助于加强对密封机理的理解,实现密封结构的优化进而提高转子的稳定性和设计的可靠性。使用数值模拟的方法,首先基于ANSYS AP-DL语言,开发了参数化程序来构建迷宫密封、孔式阻尼密封及蜂窝密封的几何模型,采用ANSYS CFX软件,计算并比较三种密封的刚度及阻尼等动力学特性参数,研究结果表明孔式阻尼密封及蜂窝密封相对于迷宫密封可以提供更大的刚度和阻尼、且具有较好的密封特性。在此基础上,以孔式阻尼密封为对象,研究比较了不同孔间距,不同孔径的孔式阻尼密封,找到影响阻尼密封动力学参数的基本规律。最后以一台九级合成气压缩机转子为例,比较不同密封对转子稳定性的影响。CFD计算的结果预测了密封的动力特性以及密封结构参数对转子动力学特性的影响,可以指导密封的设计和压缩机改造,综合考虑性能和制造成本,实现优化设计。

高低齿汽封与蜂窝汽封及孔式阻尼汽封密封性能的比较

使用商用CFD软件Fluent对高低齿汽封、蜂窝汽封及孔式阻尼汽封进行了三维数值模拟,得到三种汽封在不同压比、轴转速和汽封相对间隙时的密封性能,并将高低齿汽封和蜂窝汽封计算值与试验数据进行了对比.结果表明:高低齿汽封流量系数随压比增大而增大,随转速加快而略有减小,随相对间隙的增大而减小;蜂窝汽封与孔式阻尼汽封的流量系数均随压比增大而减小,随转速加快而略有减小,基本呈直线变化规律,随相对间隙的增大而增大;在相同的条件下,蜂窝汽封的漏汽量比高低齿汽封的漏气量减少10%,而孔式阻尼汽封的漏汽量比蜂窝汽封漏汽量减少6%.

蜂窝汽封和迷宫式汽封流动性能比较的数值研究

该文采用数值求解三维Navier-Stokes方程技术研究蜂窝汽封和迷宫式汽封的流动特性。采用有限体积方法离散Navier-Stokes方程,标准k?ε两方程紊流模型封闭方程组。数值求解方法采用SIMPLE算法,迎风2阶格式求解对流项,迎风1阶格式求解扩散项。数值模拟结果表明在相同的隔板前、后压力差和汽封间隙下,蜂窝汽封的泄漏量小于迷宫式汽封。同时揭示了蜂窝汽封内的泄漏流动被小蜂窝分隔成许多小涡流,使泄漏流动的动能有效地转换为热能,从而降低了泄漏量,提高了密封效果。该文的研究工作为汽轮机中进一步应用蜂窝汽封提供了理论依据和技术支撑。

蜂窝面迷宫密封内流动和总温升特性的研究

研究了典型燃气轮机蜂窝面迷宫密封内的流动和总温升特性,并与光滑面迷宫密封进行了比较.采用标准k-ε紊流模型数值求解了三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,计算了2种流量、不同转速时蜂窝面和光滑面迷宫密封的内流场以及间隙热系数.计算得到的蜂窝面和光滑面迷宫密封的间隙热系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性.研究结果表明:在相同转速、径向间隙和流量条件下,蜂窝面迷宫密封的总温升高于光滑面迷宫密封,即蜂窝面迷宫密封的间隙热系数高于光滑面迷宫密封,表明蜂窝面的阻尼作用提高了间隙热系数.对于蜂窝面和光滑面迷宫密封,其总温升和间隙热系数随转速的升高而增大,随流量的增大而减小.对于蜂窝面迷宫密封,在相同转速条件下,泄漏流量的增大使得子午面上速度增大,但密封内的泄漏流动形态基本相似,光滑面迷宫密封内的泄漏流动形态也具有类似特性.

台阶齿蜂窝衬套封严结构风阻特性的研究

对台阶齿-蜂窝衬套篦齿封严结构的泄漏特性和风阻特性进行数值模拟,得到流体的泄漏特性和风阻特性随转速、压比、节流间隙和蜂窝结构参数的变化规律。结果表明:泄漏流体风阻生热总温升随转速和蜂窝单元直径的增大而增大,随压比和节流间隙的增大而减小;蜂窝深度对风阻生热影响不大,基本可以忽略。

旋转状态下篦齿-蜂窝结构封严特性研究

本文对篦齿-蜂窝封严结构的封严特性进行了三维数值仿真,研究了不同结构参数、旋转速度及气动参数对其封严特性的影响,并与篦齿-涂层封严结构进行了对比.结果表明:采用蜂窝结构能改变篦齿腔内气体的流动,有效降低泄漏;篦齿前后腔气动参数一定时,齿数增加、篦齿节流间隙宽度减小或转速增加,泄漏量和泄漏系数都会相应减少.

旋转对小间隙篦齿-蜂窝结构封严特性的影响

在不同旋转速度、气动参数及衬套结构下，对两种齿型的篦齿结构的封严特性进行了实验研究，篦齿实验件的旋转速度变化范围为O～2718r／min，上游气体压力变化范围为0．2～0．71MPa。结果表明：篦齿一蜂窝封严结构的封严特性与普通篦齿结构相似，即增加篦齿前后腔压比，泄漏系数逐渐增加但增加幅度趋于平缓；当节流间隙很小时，相对普通篦齿封严结构而言，采用蜂窝衬套后泄漏量有所增加；齿尖周向速度在低于27．13m／s时，齿间压力及泄漏量基本不发生变化。

透平机械密封技术研究进展

对现代透平机械的密封技术研究进行了综述。重点介绍了透平机械中广泛应用的迷宫密封、蜂窝密封和刷式密封技术的密封原理、结构形式和国内外研究现状。对透平机械密封技术的泄漏流动、传热特性以及动力学特性的研究方法和研究结论进行了讨论,介绍了西安交通大学叶轮机械研究所TurboAero研究小组在透平机械密封技术方面的具体研究工作。展望了透平机械密封间隙泄漏流动传热以及汽流激振的研究和发展方向,为提高我国透平机械密封技术的整体设计水平和运行经济性提供有益的技术参考。

梳齿式蜂窝密封的封严特性研究

蜂窝密封技术是航天工业针对高温及高压差工况下开发出的高级密封技术,已广泛应用于各个行业。但由于蜂窝密封结构的复杂性,其封严机理的理论研究远远落后于实际应用。基于CFD软件平台,选择RNGκ-ε湍流模型,对蜂窝、梳齿和梳齿式蜂窝的流动性能进行了数值研究。模拟结果表明,随着进气压比的增大,梳齿、蜂窝和梳齿式蜂窝密封的泄漏量增大。对于同一进气压比,梳齿式蜂窝密封的泄漏量明显小于蜂窝和梳齿的密封泄漏量,梳齿密封的泄漏量最大;蜂窝与梳齿组合成梳齿式蜂窝密封后,改变了蜂窝与梳齿腔内的流场结构,更有效地降低了泄漏。

汽轮机汽封改造经济性分析

针对汽轮机汽封漏汽严重问题,分析了梳齿汽封、侧齿汽封和蜂窝汽封工作机理及其泄漏量,据此,以某600 MW机组汽轮机汽封为例进行改造,将该汽封由原传统梳齿汽封改为蜂窝汽封和侧齿汽封,并进行了机组热力性能试验验证。结果表明:采用侧齿汽封和蜂窝汽封替换原汽轮机梳齿汽封后,汽轮机热耗率较改造前降低了249.74kJ/(kW·h),改造效果良好。

超超临界汽轮机汽封漏汽流动特性的数值模拟研究

利用ANSYS软件对梳齿型、侧齿型和蜂窝型汽封的内部气体流动特性进行数值模拟分析,其结果表明:在相同的特征尺寸和边界条件下,梳齿型汽封出口压力最高,蜂窝型汽封出口压力最低。在梳齿型汽封中,气流在汽封齿与凸台之间形成的蒸汽室内将产生漩涡;侧齿汽封由于增加了侧齿,产生的漩涡强度将增大;蜂窝汽封在每个小蜂窝中将产生漩涡,漩涡强度最小,节流效果最明显。蜂窝式汽封的漏汽量最小,梳齿型汽封漏汽量最大。当出口压力相同、入口压力不同时,随着入口压力的增加,3种汽封的漏汽量也随之增加;当出、入口压力相同时,随着汽封段长度的增加,3种汽封的漏汽量均减小。

梳齿-蜂窝可刮削汽封在丁辛醇3741透平上的应用

针对丁辛醇3741蒸气透平轴端蒸汽密封长期过量泄漏的工程技术难题,介绍了梳齿-蜂窝可刮削汽封的设计及在丁辛醇3741蒸气透平的首次应用;根据改造后的运行数据监测,显示了3741蒸气透平轴端汽封过量泄漏得到根治,表明了梳齿-蜂窝可刮削汽封的高性能与在工业驱动蒸气透平应用的正确性。

迷宫蜂窝密封泄漏特性的实验测量和数值研究

为研究蜂窝孔径、径向间隙和运行工况对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,采用静止密封泄漏特性实验测量平台,测量了7种压比和5种径向间隙下迷宫蜂窝密封的泄漏量。基于数值求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型的方法,研究了迷宫蜂窝密封的泄漏特性。分析了压比(1.05~1.6)、密封间隙(0.4~1.2 mm)、转速(0~8000 r/min)和蜂窝孔径(0.8、1.6、3.2 mm)对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,并与光滑面迷宫密封进行了对比。研究表明:迷宫蜂窝密封的泄漏量随着压比的增加而近似线性增大;密封流量系数随径向间隙增大而有所降低,降低最大值为10%。在转速低于3000 r/min时,转速对迷宫蜂窝密封的泄漏量影响很小;当转速高于3000 r/min时,蜂窝结构能够抑制流体的周向运动使迷宫蜂窝密封在高转速时具有更优的密封性能,流量系数明显下降,转速升高到8000 r/min时密封流量系数最多降低到0转速时的51%。迷宫蜂窝密封流量系数随蜂窝孔径增大先减小后升高,在孔径为0.6 mm与齿宽相等时流量系数最低,此时流量系数比光滑面迷宫密封低3.0%~5.5%;孔径小于1.6 mm时,迷宫蜂窝密封的泄漏特性优于光滑面迷宫密封。本文工作可为迷宫蜂窝密封的性能分析和设计提供参考。

迷宫-蜂窝混合型密封静态稳定性与泄漏特性研究

建立迷宫-蜂窝混合型密封三维数值分析模型,研究密封在阻塞/非阻塞流动状态及不同偏心率下静态稳定性与泄漏特性,并与传统迷宫密封进行对比分析.结果表明:两种不同结构型式的密封泄漏量均随偏心率的增大而增加,但迷宫-蜂窝混合型密封相较于传统迷宫密封有更好的封严性能.在阻塞与非阻塞状态下,两种密封均表现为负的静态刚度系数,系统易产生静态失稳现象.与传统迷宫密封相比,迷宫-蜂窝混合型密封静态刚度系数绝对值较小,稳定性较高.

复合式蜂窝汽封及其在汽轮机轴封上的应用

介绍了汽轮机轴封系统的作用,分析了梳齿式迷宫汽封存在的问题,阐述了蜂窝汽封的原理和优点以及复合式蜂窝汽封在2台C6-35/8型汽轮机轴端汽封改造中的技术要点.2年多的运行实践证明,6 MW抽凝式汽轮机轴封应用复合式蜂窝汽封代替梳齿式迷宫密封后,轴封漏汽量明显减少,油中带水隐患消除,凝汽器真空提高,机组发电能力增加,节能降耗效果显著.

涡轮泵密封动力学特性和封严性能的分析与优化

针对氢涡轮泵由流体激振产生次同步振动问题,采用CFD软件进行了数值计算,分析了该涡轮泵密封的动力学特性和泄漏量。首先,研究了涡轮泵离心轮原始梳齿迷宫密封的偏心率、密封间隙、密封齿厚和密封齿数对密封动力学特性系数的影响,结果表明改变原梳齿迷宫密封的结构参数对动力性能提升有限。在此基础上,改进该密封为孔型密封并进行计算和分析,结果表明孔型阻尼密封的动力学特性及泄漏量较迷宫密封有极大改善;通过计算分析进一步优化了孔型密封的周向孔数、孔深、密封间隙和孔排布方式,得出交错布置的周向80孔、孔深3.3mm的孔型密封性能最优。进一步计算了1组蜂窝密封的动力学特性系数,与孔型密封进行比较,得出蜂窝密封较孔型密封动力学性能略有提升。