流体静压型指尖密封的理论与试验研究

论文摘要

燃气轮机先进密封技术是近十几年来在国外引起高度重视的一个分支领域，先进密封技术带来的好处，已经实实在在地体现在发动机性能提高、燃油消耗率降低、运行和维修成本减少等方面。指尖密封技术是当前先进密封技术的前沿性研究方向，本文通过大量的国内外资料收集和课题调研，在分析接触型指尖密封和流体动压型指尖密封优缺点的基础上，提出了流体静压型指尖密封，并以此为研究对象，开展了深入的理论和试验研究。本文的研究成果主要包括以下几个方面：1．在全面研究和分析国内外已有指尖密封技术研究成果的基础上，提出了一种简单、实用、可靠的小间隙流体静压型指尖密封。当密封流体高速通过静压靴间隙时，作用于静压靴工作面上的压力并不大，因此，保证了工作状态下静压靴的小变形优点。本文根据流体静压型指尖密封的这个工作原理，设计了两种规格的指尖密封环、四种涂层的跑道。本文设计的流体静压型指尖密封试验件，是一种带压力平衡腔的活动可拆式结构，通过重新装配组合，可进行多种指尖密封结构的试验研究。2．为满足流体静压型指尖密封试验研究的条件，本文在现有舰用燃气轮机密封试验台的基础上，对密封试验台的控制系统和测量系统进行了全面改造，建立了电控操作台和数据采集系统。利用昆仑组态软件的操作平台，本文还开发了密封试验台数据采集系统软件，并成功实现了对试验数据的实时测量和存储。3．本文从结构动力学的角度，分析了流体静压型指尖密封各部件的受力特点，并在此基础上提出了结构动力学特性计算模型。通过对计算模型的合理简化，使考虑部件间接触摩擦的动力学特性计算成为可能。本文用SAMCEF／FIELD软件对影响流体静压型指尖密封动力学性能的主要参数进行了分析计算，计算表明：铆紧力和封前压力以及静压靴与指尖臂间的倒圆是对动力学特性有重要影响的参数，在结构设计上，必须综合考虑这三个设计参数对动力学特性的综合影响。4．提出了流体静压型指尖密封流固耦合计算的数学模型。针对小间隙流体静压型指尖密封的结构特点，建立了基于三维时间平均基础上的N-S方程和线性范围内结构应力—应变关系的流固耦合数学模型，并给出了收敛准则。本文用CFX5.7作为流体分析求解器，用ANSYS9.0作为应力-应变分析求解器，实现了对流体静压型指尖密封流固耦合特性的分析计算。5．利用本文提出的流体静压型指尖密封流固耦合数学模型，对密封泄漏和变形的主要影响因素进行了分析计算，并用旋涡耗散能量的理论解释了流体静压型指尖密封的封严作用机理。本文关于密封泄漏和变形的研究结论，对指尖密封的设计有重要指导意义。6．以流体静压型指尖密封工程实际应用为目标，进行了流体静压型指尖密封封严特性试验、滞后特性试验和磨损特性试验。封严特性试验表明：流体静压型指尖密封具有低泄漏的特征，约为同等条件下篦齿密封泄漏的三分之一；滞后特性试验表明：本文设计的压力平衡结构能缓解滞后现象，但限于密封试验台的实际条件，缓解滞后的能力没有得到充分体现，但通过对平衡腔的压力监测表明，在结构上实现了压力平衡；磨损特性试验表明：GH3044指尖材料与碳化钨涂层和陶瓷涂层跑道组成的摩擦副效果较好，与表面渗氮跑道组成的摩擦副效果较差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题意义
• 1.2 指尖密封技术研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 流体静压型指尖密封结构
• 2.1 指尖密封结构
• 2.1.1 接触型指尖密封
• 2.1.2 流体动压型指尖密封
• 2.1.3 流体静压型指尖密封
• 2.2 指尖密封滞后特性与改善措施
• 2.2.1 指尖密封滞后特性
• 2.2.2 改善滞后特性的措施
• 2.3 流体静压型指尖密封试验件结构设计
• 2.3.1 试验件设计目的与设计输入
• 2.3.2 指尖密封环结构设计
• 2.3.3 梳齿密封环结构设计
• 2.3.4 密封跑道结构设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 流体静压型指尖密封结构动力学特性研究
• 3.1 指尖受力特点分析
• 3.2 接触摩擦
• 3.3 计算模型
• 3.3.1 几何模型
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 边界条件
• 3.3.4 载荷条件
• 3.3.5 材料参数
• 3.4 计算结果与分析
• 3.4.1 夹紧力对结构动力学特性影响分析
• 3.4.2 密封压差对结构动力学特性影响分析
• 3.4.3 静压靴与指尖臂的倒圆对结构动力学特性影响分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 流体静压型指尖密封耦合特性研究
• 4.1 结构应力与应变
• 4.2 气动计算方法
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 控制方程的离散
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 流固耦合分析方法
• 4.4 计算模型
• 4.5 网格划分
• 4.6 算例分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 流体静压型指尖密封数值仿真研究
• 5.1 流场特性分析
• 5.1.1 静压靴间隙内流场分析
• 5.1.2 相邻静压靴间隙内流场分析
• 5.1.3 静压靴下端面压力场分析
• 5.2 泄漏特性分析
• 5.2.1 密封间隙和压差对泄漏影响分析
• 5.2.2 高压密封级数对泄漏影响分析
• 5.2.3 相邻静压靴间隙对泄漏影响分析
• 5.2.4 转子线速度对泄漏影响分析
• 5.3 指尖变形及应力分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 流体静压型指尖密封试验研究
• 6.1 密封试验台改造
• 6.1.1 原密封试验台简介
• 6.1.2 控制系统改造
• 6.1.3 测量系统改造
• 6.1.4 数采系统改造
• 6.2 参数测量和测点布置
• 6.3 封严特性试验
• 6.3.1 进气压力对封严特性影响试验
• 6.3.2 密封间隙对封严特性影响试验
• 6.3.3 高压级数对封严特性影响试验
• 6.4 滞后特性试验
• 6.4.1 非压力平衡指尖密封滞后特性试验
• 6.4.2 压力平衡指尖密封滞后特性试验
• 6.5 磨损特性试验
• 6.5.1 摩擦副组合设计
• 6.5.2 运行工况设计
• 6.5.3 试验结果
• 6.6 本章小结
• 结论
• 1. 提出了流体静压型指尖密封设计思想
• 2. 对舰用燃气轮机密封试验台进行了必要的改造
• 3. 提出了流体静压型指尖密封结构动力学分析模型
• 4. 提出了流体静压型指尖密封流固耦合计算的数学模型
• 5. 对流体静压型指尖密封的封严机理和主要影响因素进行了数值仿真分析
• 6. 进行流体静压型指尖密封试验研究
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及取得的成果
• 个人简历
• 致谢