摘要：为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

摘要：为提高汽轮机多级轴端迷宫密封动力学性能,针对汽轮机两级轴端交错齿迷宫密封,开展了具有前置凸台的新型防旋板结构方案设计和止旋抑振性能评估。首先,针对两级轴端交错齿迷宫密封,设计了一级和两级传统防旋板、一级和两级前置凸台新型防旋板等动密封防旋板结构方案,并建立了具有“虚拟旁路边界”的有、无防旋板多级交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对多级动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的动密封气流激振动力学特性(CFD)摄动数值预测方法,对比分析了无防旋板、传统防旋板和新型前置凸台防旋板作用下,两级交错齿迷宫密封泄漏特性和气流激振动力学特性;最后,通过分析不同防旋板结构方案下,两级交错齿迷宫密封腔室旋流发展、腔室速度场和动态压力分布、转子面气流激振力,阐明了防旋板的止旋抑振机制。结果表明:无防旋板的迷宫密封具有最低的泄漏量,一级传统防旋板或一级前置凸台防旋板的设置会使密封齿数减少,导致密封泄漏量增加约4.5%;相比于一级防旋板,具有两级防旋板的迷宫密封泄漏量增加约5.5%;相比于传统防旋板,前置凸台防旋板可减小交叉刚度、增大有效阻尼;相比于一级防旋板,两级防旋板可减小高涡动频率下的交叉刚度、增大直接阻尼,进而提高密封的有效阻尼;在传统防旋板的基础上设置前置凸台可提升防旋板的止旋性能,且两级防旋板可有效抑制密封下游区域的旋流发展,能显著提升迷宫密封动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳。

摘要：迷宫密封作为转轴密封的主要形式,被广泛应用于离心式压缩机、航空发动机和膨胀透平机等旋转机械。为提高迷宫密封的密封性能和满足现代旋转机械需求,需要从多角度开展迷宫密封的结构优化研究。该文基于FLUENT软件进行迷宫密封流场仿真,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法,分析了迷宫密封几何参数及齿形结构对泄漏量的影响规律;提出了占空比、深宽比2种参数定义,通过调整参数设置,可以消除空腔高度、空腔宽度、齿厚和齿距4种参数间的耦合影响,可为参数优化设计提供重要参考;建立了高转速迷宫密封实验系统,通过实验验证,仿真结果最大误差仅为3%。结果表明:在工况参数中,压差对泄漏量具有显著影响,而转速基本不会影响泄漏量;在几何参数中,密封间隙对泄漏量具有显著影响,而占空比、深宽比和齿距对泄漏量的影响较小;在齿形结构中,斜齿具有更小的泄漏量,并且减小前齿与后齿倾斜角将有益于降低泄漏量。

摘要：为了分析某风电齿轮箱内迷宫密封各参数对泄漏量的影响,利用数值模拟和构建代理模型对迷宫密封的泄漏行为开展了研究。首先,根据风电齿轮箱三维实体模型构建了其迷宫密封三维流场模型;然后,基于FLUENT软件,通过单一变量法研究了迷宫密封泄漏量随进出口压力比、润滑液动力黏度、高速轴与低速轴的转速和迷宫密封的密封齿间隙的变化规律;最后,构建了径向基神经网络(RBF)代理模型,在该代理模型的基础上,在影响迷宫密封性能的因素中,选取了密封间隙、密封腔体高度和密封腔体宽度三个结构参数作为设计变量,以迷宫密封的最小泄漏量和出口最大速度为优化目标,使用非劣分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)获得了最优解。研究结果表明:迷宫密封泄漏量受两个转轴的转速影响很小;泄漏量与进出口压力比、密封间隙成正比,而与润滑油动力黏度成反比;求得最优解对应的参数所对应泄漏量减小了47%,出口最大速度降低了36%,数值模拟与优化理论计算结果一致。该结果可为研究迷宫密封泄漏量的影响特性提供理论依据。

摘要：针对压缩机迷宫密封内部流场与泄漏量问题,对双侧迷宫密封结构中的气缸侧密封齿展开优化研究。设计三角形、矩形、摆线形3种气缸侧密封齿结构,选用不同的气缸与活塞侧密封齿的齿高、齿宽、密封齿间隙的几何比例(1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6),建立不同结构的双侧密封齿密封模型,对其密封性能进行CFD动网格瞬态模拟,并与单侧密封齿密封结构进行了比较。结果表明:双侧密封齿密封结构的泄漏量相比单侧密封齿密封结构下降了25.8%~56.0%;3种不同形状的气缸侧密封齿密封性能由高到低依次为三角形、矩形、摆线形;不同几何比例的气缸侧密封齿模型中,密封性能从强到弱排列为1∶4、1∶5、1∶2、1∶6、1∶3。气缸侧与活塞侧迷宫齿几何比例为1∶4的三角形气缸侧密封齿结构的密封性能最优,相比单侧密封齿密封结构泄漏量下降了56%。

摘要：建立迷宫密封三维CFD计算模型,模拟超临界CO_(2)的流动,分析超临界CO_(2)迷宫密封的泄漏和动力特性,并与理想气体迷宫密封进行对比。结果表明:相比于理想气体,超临界CO_(2)的密度增加而轴向速度降低,但密度增加的幅度大于轴向速度降低的幅度,使得超临界CO_(2)迷宫密封的泄漏量比理想气体迷宫密封大21%左右。相比于理想气体迷宫密封,低速涡动时超临界CO_(2)迷宫密封具有更大的切向力,稳定性较低;高速涡动时超临界CO_(2)迷宫密封具有更小的切向力,稳定性较高。

摘要：为提高迷宫密封转子动力特性,开展进口和腔室防旋板与转子面一体化设计的迷宫密封结构转子动力特性研究。基于进口防旋板结构的迷宫密封(结构1),设计了进口和腔室防旋板结构的迷宫密封(结构2),以及基于结构2的带有腔室防旋板与转子面凹槽和凸台结构一体化设计的密封结构3和4。采用转子多频椭圆轨迹涡动模型和动网格技术的非定常Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)数值求解方法,对比分析了变进口预旋条件下4种迷宫密封的泄漏特性和转子动力特性。研究表明:相比于进口防旋板密封,腔室防旋板和转子面一体化设计的凹槽和凸台转子面密封,特别是凸台转子面密封能明显降低迷宫密封的泄漏量和交叉刚度;进口预旋比为0.84时,相比于进口防旋板密封,凹槽转子面密封和凸台转子面密封的正有效阻尼分别提高了48.7%~144.1%和59.8%~254.0%;进口预旋比增加为1.32时,凹槽转子面密封和凸台转子面密封在整个频率范围内仍保持最大有效阻尼。腔室防旋板和转子面一体化设计的迷宫密封能显著提高转子稳定性,论文工作为进一步提高迷宫密封的转子动力特性提供了设计方案。

摘要：目前,磁性液体密封作为一种新型密封方式,具有零泄漏、无污染、寿命长等优点,但存在着耐温差和耐压差能力相对较弱,高速工况下容易失效的问题。而迷宫密封作为传统密封方式,具有泄漏量大的缺点,但适用于高温、高压和高速的工况,可以很好地弥补磁性液体密封的缺点。因此,设计了磁性液体密封与迷宫密封组合密封的结构,对极靴和轴套的结构尺寸进行正交试验和响应曲面法优化,得到了使组合密封结构耐压值最大的结构尺寸,为高温、高压、高速工况实现零泄漏密封提供了理论基础。

摘要：采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常RANS方程,研究了高低两种预旋比下具有防旋板结构的迷宫密封气流激振转子动力特性。分析对比了在预旋比分别为0.13和1.32时无防旋板结构迷宫密封(Design 1)、带进口防旋板结构迷宫密封(Design 2)、在Design 2的基础上增加二级防旋板迷宫密封(Design 3)的平均周向速度、泄漏量、转子动力特性系数。数值模拟得到的Design 1的泄漏量和转子动力特性系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性。研究表明:高预旋比会导致Design 1的直接刚度和有效阻尼降低,并使直接阻尼与交叉刚度增加;预旋比为1.32时Design 2相对于Design 1能明显降低交叉刚度,且降幅达到63.3%~86.3%,Design 3相对于Design 2的交叉刚度降低了12.9%~39.4%;预旋比0.13时Design 2的交叉刚度小于0,Design 3的交叉刚度绝对值相对于Design 2增加了24.4%~153.0%;Design 2相对于Design 1在预旋比为1.32时有效阻尼项穿越频率从175.1 Hz降低到28.3 Hz,预旋比为0.13时在20 Hz之后的有效阻尼增加31.6%~60.0%;Design 3相对于Design 2在预旋比为1.32时消除了有效阻尼的穿越频率,在预旋比为0.13时有效阻尼增加26.9%~38.0%。在两种预旋比下设计二级防旋板会略微降低直接刚度,减小交叉刚度,增加直接阻尼。本文工作可为增加迷宫密封转子动力特性的防旋板设计提供参考。

摘要：为厘清迷宫密封内摩擦损失的影响因素并建立摩擦系数预测模型,基于Vannini等搭建的迷宫密封实验装置,以超临界二氧化碳为工质,采用数值方法,探究了雷诺数、进出口压比以及间隙半径比对摩擦系数和泄漏特性的影响关系。结果表明:摩擦系数随雷诺数的增加而减小,随进出口压比的增加基本不变。泄漏量在雷诺数小于10^(4)时基本不变,但在大于10^(4)时随雷诺数的增大而减小,且泄漏量随进出口压比增大而增大。在不同工况条件下,摩擦系数和泄漏量随间隙半径比的增加而线性增大,但摩擦系数的斜率基本不变,泄漏量的斜率随进出口压比的增大而增大。当雷诺数较高、压比较低时,在密封的入口区域会存在尺寸较大的涡,这有利于泄漏量降低,但此时泄漏模型的预测精度有少许降低。当间隙半径比较小时,摩擦损失主要源于密封间隙内的流动;当间隙半径比较大时,流体与壁面的相互作用是摩擦损失产生的主要原因。最后,基于数值计算结果,提出了摩擦系数预测模型,并验证了该模型预测精度。研究结果将为提高超临界二氧化碳迷宫密封及透平机械的设计水平提供参考。