锯齿型径向迷宫密封的数值研究

数值研究了锯齿型径向迷宫密封的密封性能,对密封的内部流场进行了有限元模拟,展示了节流间隙中有效能流宽度及泄漏介质通流速度随齿插入长度变化的规律,得到了不同齿插入长度时的密封性能,发现密封性以并不是随着齿插八长度的增加而单调增加,而是存在一个最佳的齿插入长度。最佳齿插入长度时,尽管此时的节流间隙较宽,但由于间隙是流动的强烈偏转,使实际的有效通流面积减小,泄漏介质在节波间隙中因而可以获得较大的速度,所     

阻旋栅对梳齿密封动静特性影响研究

阻旋栅可改变密封进口流体周向流动与进口预旋，是提高系统稳定性的主要方法之一. 本文作者应用计算流体力学方法研究了阻旋栅几何参数对梳齿密封动静特性的影响，计算分析了阻旋栅在不同长度、间隙、周向个数及不同进口预旋比下密封流场分布与动力特性系数，并与无阻旋栅梳齿密封进行对比. 研究表明:阻旋栅能够有效抑制密封进口周向流动、降低密封腔室周向压力；随着阻旋栅周向个数与阻旋栅间隙的减小，其抑制效果增强，阻旋栅长度的增加对周向速度影响则越来越小；提高预旋比将使密封内流体周向速度增加. 与传统梳齿密封相比，具有阻旋栅的梳齿密封直接阻尼增加，交叉刚度降低，进而有效阻尼提高. 阻旋栅间隙s=0.20 mm、长度l=3.25 mm、数量n=90时密封有效阻尼较大，系统稳定性最好.      

弹尾弹射装置间隙密封的火药气体动力学

针对弹尾开孔安装用于侵彻数据回收的弹射装置后,存在的弹射间隙会使弹体内的测试装置受到火药气体侵蚀破坏的问题,设计了间隙密封结构,对流经间隙的火药气体进行了气体动力学的建模分析,并对密封结构进行了膛压和密封空腔压强测试。结果表明:火药燃烧产生的气体为可压缩性气体,在药室和收缩的间隙通道中为亚声速流动状态,而在扩张的密封空腔中为超声速流动状态;在弹底火药气体温度为2 166.5 K、密度为360 kg/m3、压强为242.9 MPa的条件下,经过密封装置的密封后,密封空腔内的残余气体压强为0.49 MPa。试验所得密封空腔内的最大压强为0.18 MPa,与模型计算结果基本吻合。     

节流孔截面形状对静压干气密封稳态性能和压力波动特性影响

建立了不同形状节流孔出口截面静压干气密封的几何模型，采用湍流大涡模拟方法数值求解了小孔节流静压干气密封的瞬态流场和压力场，对比了节流孔出口开设圆角、倒角与经典小孔节流静压干气密封的开启力、泄漏率等稳态性能参数和节流孔出口附近的压力波动特性，以较大密封开启力和较小压力波动为目标，获得了节流孔出口倒角和圆角的优选值范围. 结果表明:相较于经典小孔节流静压干气密封，节流孔出口开设倒角或圆角能提高静压干气密封的开启力，显著降低节流孔出口压力波动，且当倒角为0.3~0.4 mm，圆角为0.1~0.3 mm时具有最佳效果.      

型孔形状和方向对孔型阻尼密封泄漏特性影响

研究了型孔形状和方向性对孔型阻尼密封泄漏特性的影响. 建立了孔型阻尼密封流场特性CFD数值模型，对比分析了不同转速和密封间隙下圆孔阻尼密封、蜂窝密封、迷宫密封和光滑面密封的泄漏特性，研究不同转速下型孔形状、超椭圆系数和倾斜角对广义孔型阻尼密封泄漏特性的影响规律，探讨了方向性型孔阻尼密封阻流控漏机制. 结果表明:紧密排列的孔型阻尼密封相较于迷宫密封和光滑面密封具有显著优异的密封性能；倾斜角为30°、超椭圆系数为2且边数为2的类椭圆型孔阻尼密封在静止时具有最小的泄漏率，且可通过减小周向或轴向排列间距进一步减小泄漏；一定倾斜角条件下，超椭圆系数较大的类椭圆型孔出口尖端附近能形成明显的低速阻流区，从而达到阻流控漏的效果.      

深槽表面气体静压润滑低Reynolds数层流节流效应实验研究

气体介质在润滑间隙流动过程中,沿气体流动方向开设的表面矩形深槽结构内部产生旋涡阻碍气体流动,形成节流效应.通过矩形深沟槽表面静压润滑实验,开展深槽表面和光滑表面的流量特性对比测试,研究了低Reynolds数层流状态下深槽表面间隙的气体节流效应.结果表明:深槽表面产生显著的节流效应,并且随Reynolds数增加而增强;在低Reynolds数层流状态下,深槽表面可以产生节流效应,但是节流效应强度不稳定,当处于完全湍流状态时,节流效应维持定值;间隙尺寸、槽深等结构参数对节流效应影响明显.     

新型自冲击密封的泄漏特性与封严机理初探

新型自冲击密封提出以来持续受到同行学者和行业专家的广泛关注和认可，本文中进一步通过对自冲击密封热力学效应及各类流场的剖析，建立起新型密封热力学效应与泄漏量的关系，从热力学角度分析了新型密封的流场特性与泄漏特性，研究了几何参数、工况参数、密封性能参数及其相互间的联系和规律.结果表明：建立的泄漏公式与仿真结果符合较好(变转速下误差为7.59%)，可以较好的反映热力学效应与泄漏之间的关系；当密封间距h≤200μm时，密封熵增效果随密封间隙变化最为明显；密封介质流入后温度呈逐级上升趋势，至密封出口处达到最高，出口温度随压力和密封间距的增大而增大，随着级数的增大而缓慢减小，转速对出口温度的影响较小.新型密封主要通过间隙内流体的冲击产热进行能量耗散并最终实现封严功能，如何泄压、控温及选择合适的耐高温材料是新型密封尽早实现工业化应用的关键.     

k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波?边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.      

精细积分法在迷宫密封转子系统非线性动力学特性计算中的应用

基于Muszynska密封力模型，建立了迷宫密封转子系统的非线性动力学模型，将精细积分法推广应用于非线性情况，计算了迷宫密封不平衡转子系统的动力学特性，依据Floquet理论讨论其分岔特性。研究表明：在2^N类算法计算指数矩阵基础上提出的精细积分法和传统的数值计算方法相比，其精度高，在分析中通过取不同步长计算对比，表明该方法在某些情况下可以采取较大时间步长，有效提高了计算速度。     

单金属密封间隙两相流动及密封性能研究

基于单金属密封热-流-固耦合模型计算结果，建立多工况下单金属密封间隙三维非均一液膜计算模型.利用多相流模型(VOF)、用户自定义函数(UDF)和动网格技术研究单金属密封端面液膜特性及泥浆侵入行为，探讨稳、动态条件下环境压力和转速对单金属密封间隙两相流动及密封性能的影响规律.结果表明：外侧泥浆受动环旋转影响侵入密封间隙的倒角区和密封区外侧，在低环境压力和高转速条件下泥浆侵入愈明显；受周期性振动影响，泥浆向密封区内部侵入延伸且逐渐累积，长周期工作时泥浆经由密封间隙进入轴承系统的可能性大大增加；随着环境压力的升高，润滑油泄漏率均值不断增加而振幅逐渐减小，摩擦力均值及振幅均减小.     

超临界二氧化碳高低齿梳齿密封动力稳定性研究

建立超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO₂)高低齿梳齿密封三维数值计算模型,应用基于微元理论的密封动特性识别方法,研究凸台宽度及密封间隙对超临界二氧化碳梳齿密封动静特性的影响,并与传统梳齿密封进行对比. 研究表明:高低齿梳齿密封的交叉复合刚度系数对有效阻尼系数影响较小,主阻尼对其占主要影响. 在低涡动频率下(<160 Hz),传统梳齿密封动力稳定性较好;而涡动频率高于160 Hz时,高低齿梳齿密封的有效阻尼系数约为传统梳齿密封的105%~113%;且存在1个最佳凸台宽度使密封系统稳定性最好(本文最佳值为5.13 mm);随着密封间隙的减小,有效阻尼系数的大小与频率依赖性分别增大、增强. 高低齿梳齿密封泄漏量较传统梳齿密封降低约45.5%;凸台宽度5.13 mm、密封间隙0.4 mm时较原始模型(b=4 mm、c₂=0.5 mm)泄漏量分别降低约5%和19%,高低齿梳齿密封泄漏量随密封间隙的减小而降低.      

Influence of steam leakage through vane,gland, and shaft seals on rotordynamics of high-pressure rotor of a 1,000 MW ultra-supercritical steam turbine

A comparative analysis of the influence of steam leakage through vane, gland, and shaft seals on the rotordynamics of the high-pressure rotor of a 1,000 MW ultra-supercritical steam turbine was performed using numerical calculations. The rotordynamic coefficients associated with steam leakage through the three labyrinth seals were calculated using the control-volume method and perturbation analysis. A stability analysis of the rotor system subject to the steam forcing induced by the leakage flow was performed using the finite element method. An analysis of the influence of the labyrinth seal forcing on the rotordynamics was carried out by varying the geometrical parameters pertaining to the tooth number, seal clearance, and inner diameter of the labyrinth seals, along with the thermal parameters with respect to pressures and temperatures. The results demonstrated that the steam forcing with an increase in the length of the blade for the vane seal significantly influences the rotordynamic coefficients. Furthermore, the contribution of steam forcing to the instability of the rotor is decreased and increased with increases in the seal clearance and tooth number, respectively. The comparison of the rotordynamic coefficients associated with steam leakage through the vane seal, gland seal, and shaft seal convincingly disclosed that, although the steam forcing attenuates the stability of the rotor system, the steam turbine is still operating under safe conditions.     

Fluctuations of the flow parameters of an incompressible viscous fluid in a collar-type flow throttling device

The flow in channels of the labyrinth seal type with one or two throttling stages is calculated on the interval of Reynolds numbers Re from 1.9·10⁴ to 4.5·10⁵. The nonsteady flow structure and the distribution and fluctuations of the pressure on the body of the labyrinth are investigated. The results are compared with the data of a physical experiment.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 1, pp. 3–8, January–February, 1990.     

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.      

Nonlinear analysis of orbital motion of a rotor subject to leakage air flow through an interlocking seal

A nonlinear mathematical model for orbital motion of the rotor under the influence of leakage flow through a labyrinth seal was established in the present study. An interlocking seal was chosen for study. The rotor–seal system was modeled as a Jeffcot rotor subject to aerodynamic forcing induced by the leakage flow. Particular attention was placed on the serpentine flow path by spatially separating the aerodynamic force on the rotor surface into two parts, e.g., the seal clearance and the cavity volume. Spatio-temporal variation of the aerodynamic force on the rotor surface in the coverage of the seal clearance and the cavity volume was delineated by using the Muzynska model and perturbation analysis, respectively. The governing equation of rotor dynamics, which was incorporated with the aerodynamic force integrated over all seal clearances and cavity volumes, was solved by using the fourth-order Runge–Kutta method to obtain the orbit of the whirling rotor. Stability of the rotating rotor was inspected using the Liapunov first method. The results convincingly demonstrate that the destabilization speed of the rotor was reduced due to the aerodynamic force induced by the leakage flow through the interlocking seal. The nonlinear analysis method proposed in the present study is readily applied to dynamics of various rotor–seal systems with labyrinth seals.     

High‐order detached eddy simulation,zonal LES and URANS of cavity and labyrinth seal flows

Hybrid numerical large eddy simulation (NLES), detached eddy simulation (DES) and URANS methods are assessed on a cavity and a labyrinth seal geometry. A high sixth‐order discretization scheme is used and is validated using the test case of a two‐dimensional vortex. The hybrid approach adopts a new blending function. For the URANS simulations, the flow within the cavity remains steady, and the results show significant variation between models. Surprisingly, low levels of resolved turbulence are observed in the cavity for the DES simulation, and the cavity shear layer remains two dimensional. The hybrid RANS–NLES approach does not suffer from this trait. For the labyrinth seal, both the URANS and DES approaches give low levels of resolved turbulence. The zonal Hamilton–Jacobi approach on the other had given significantly more resolved content. Both DES and hybrid RANS–NLES give good agreement with the experimentally measured velocity profiles. Again, there is significant variation between the URANS models, and swirl velocities are overpredicted. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

磁流体密封自修复的试验研究

通过磁流体密封试验观察了磁流体密封破裂后的自修复过程。研究了导致磁流体密封破裂的加压速率、破裂次数、密封磁场梯度、磁极的密封齿级数和磁极级数等因素对磁流体密封自修复后承压能力的影响规律。结果表明：加压速度越大，破裂次数越多，磁场梯度越小，则自修复程度越低；齿级数过多会降低磁流体密封的自修复能力，而采用多磁极少齿级密封结构可使磁流体损耗后得到较好的补充。从而提高磁流体密封的自修复能力。