高温动压涨圈密封结构参数多目标优化分析.pdf
《高温动压涨圈密封结构参数多目标优化分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高温动压涨圈密封结构参数多目标优化分析.pdf(15页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、化工学报 2023年 第74卷 第6期|,2023,74(6):2565-2579 CIESC Journal高温动压涨圈密封结构参数多目标优化分析毕恩哲,李双喜,沙廉翔,刘登宇,陈凯放(北京化工大学机电工程学院,北京 100029)摘要:针对航空发动机涨圈密封在高温工况下磨损严重的特性,提出一种动环端面开设螺旋槽的动压涨圈密封。综合考虑切口对主密封端面流动的相互影响,建立流固热耦合数值分析模型,分析动压涨圈密封的密封性能,采用响应面法对静环结构参数进行多目标优化分析,试验验证模型的准确性。研究结果表明:动压涨圈的密封性能主要受切口间隙影响,而减磨性能主要受轴向厚度和径向宽度影响;切口间隙的增
2、大将导致密封性能和减磨性能的下降,但轴向厚度和径向宽度的增加可有效减弱切口间隙的不利影响。优化参数组合为切口间隙0.2 mm、轴向厚度13 mm、径向宽度6.5 mm,优化后泄漏率降低26.73%,密封性能、减磨性能得到明显提升。关键词:动压涨圈密封;响应面法;密封特性;流固热耦合分析模型中图分类号:TB 42 文献标志码:A文章编号:0438-1157(2023)06-2565-15Multi-objective optimization analysis of high temperature dynamic pressure split ring seal parametersBI En
3、zhe,LI Shuangxi,SHA Lianxiang,LIU Dengyu,CHEN Kaifang(College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract:Aiming at the severe wear and tear characteristics of the aero-engine expansion ring seal under high temperature conditions,a
4、 dynamic pressure split ring seal with spiral groove on the end face of the split ring was proposed.Considering the mutual influence of the notch on the flow of the end face of the main seal,the fluid-solid thermal coupling numerical analysis model was established to analyze the sealing performance
5、of the dynamic pressure swelling ring seal.The structural parameters of the static ring were optimized by the response surface method,and the accuracy of the model was verified by experiments.The results show that the sealing performance of dynamic pressure swelling ring is mainly affected by the cl
6、earance of the incision,and the wear reduction performance is mainly affected by the axial thickness and radial width.The increase of notch clearance will lead to the decrease of sealing performance and wear reduction performance,but the increase of axial thickness and radial width can effectively r
7、educe the adverse effect of notch clearance.The optimized parameter combination was notch clearance 0.2 mm,axial thickness 13 mm and radial width 6.5 mm.After optimization,the leakage rate was reduced by 26.73%,and the sealing performance and wear reduction performance were significantly improved.Ke
8、y words:dynamic pressure split ring seal;response surface method;sealing characteristics;fluid-solid thermal coupling analysis modelDOI:10.11949/0438-1157.20230210收稿日期:2023-03-09 修回日期:2023-04-10通信作者:李双喜(1977),男,博士,教授,第一作者:毕恩哲(2000),男,硕士研究生,基金项目:国家自然科学基金项目(2018YFB2000800)引用本文:毕恩哲,李双喜,沙廉翔,刘登宇,陈凯放.高温动压
9、涨圈密封结构参数多目标优化分析J.化工学报,2023,74(6):2565-2579Citation:BI Enzhe,LI Shuangxi,SHA Lianxiang,LIU Dengyu,CHEN Kaifang.Multi-objective optimization analysis of high temperature dynamic pressure split ring seal parametersJ.CIESC Journal,2023,74(6):2565-2579研究论文第74卷化 工 学 报引 言目前,航空发动机的气动、传热等技术已较为成熟,难以取得突破,但通过试验
10、发现改进密封装置降低泄漏率可显著提高航空发动机的综合性能1-3。涨圈密封因其结构紧凑、成本低廉、动态贴合性能良好等优点4-5,常应用于涡轮增压器、涡轮发动机、微型空压机等装置中,但在设计不当、加工误差时存在磨损严重、使用寿命低的问题6。因此,通过优化涨圈密封结构来提升涨圈密封的密封性能、减磨性能,进而提高航空发动机效率,已成为当前研究热点。传统涨圈密封在端面质量下降、润滑不良时,其主密封面易发生严重磨损7。在高速运转工况下,静环随动环旋转发生低速转动,导致辅助密封面产生轻微磨损8。而涨圈密封的摩擦热主要由主密封面摩擦产生,涨圈辅助密封面产生的摩擦热低于主密封面摩擦热的50%9。因此主密封面的摩
11、擦磨损是影响涨圈密封性能的重要因素,且当磨损量超过临界值时,其密封性能将大幅度下降10。宫燃等11-12试验发现随着转速、压力的升高,涨圈密封端面磨损机制由磨粒、黏着磨损转变为磨粒、疲劳磨损。在此基础上,王恒13分析涨圈密封磨损的诱发原因,发现涨圈密封环上的局部高温带导致局部发生磨损。进一步的磨损将加剧热失稳现象,导致热带发生转移,进而导致新的局部磨损产生14。为减少涨圈密封的摩擦磨损,通常采用摩擦副材料改性15-16和表面织构化17-18,但上述方法的减磨性能在高速、高温的极端工况下并不稳定。为提升高速、高温工况下涨圈密封的减磨性能,可在密封环端面上开设动压槽,利用流体动压效应,使主密封面间
12、形成具有承载力的流体膜,进而实现非接触运行。秦自臻等19-20试验发现涨圈密封端面开设V形槽后的摩擦扭矩明显降低,密封温升降低 29%,但流体膜的承载能力不足,动环与静环之间仍会发生轻微碰磨。在众多典型端面型槽中螺旋流体膜的承载能力最为显著,因此减磨性能也更为稳定21-23。为提升动压涨圈密封的动压效应,Zhao等24-25提出在静环端面开设螺旋槽的动压涨圈密封,并对该结构进行数值分析和试验,发现动压涨圈密封的密封性能、减磨性能均显著提高。但在针对涨圈密封主密封面间流体膜的数值分析过程中,切口流场与主密封面流场的交互影响常常被忽略,然而Andrs等26试验发现涨圈密封在转轴高速旋转时,切口存在
13、明显泄漏,说明切口流场对主密封面流场的交互影响不可忽视。本文提出动环端面开设螺旋槽的改进模型,建立考虑切口泄漏对主密封面间流体膜影响的动压涨圈密封数值分析模型,分析切口泄漏现象对主密封面间流体膜的影响机理,并针对静环的结构参数进行优化分析,提升动压式涨圈减磨性能与密封性能,研究结果可为高速、高温动压涨圈密封的结构设计提供参考。1 动压涨圈密封的结构和工作原理动压涨圈密封主要由静环、动环、衬套组成,如图1所示。其中动环端面开设螺旋槽,螺旋槽的螺旋线方程如式(1);静环端面开设贯通的切口,为避免静环发生转动、周向热变形受限,切口间隙a应满足式(2)。当动环静止时,静环在介质压力作用下紧贴动环,形成
14、主密封面;当动环随轴顺时针转动时,该结构能够利用流体的动压效应,在主密封面形成具有承载能力的流体膜,实现动环与静环的非接触密封。静环在自身弹力与介质压力的作用下,其外圆面与衬套内圆紧贴,形成辅助密封面。图2(a)中rro、rri、re分别为动环外半径、内半径及螺旋槽槽根半径。图2(b)中rb、rei、reo分别为静环外半径、内半径及密封端面外半径。静环与动环的厚度分别为Le和Ls。r=reetan(1)a(reo+rei)T(2)动压涨圈密封的具体结构参数及参数分析范围如表1所示,其中螺旋槽参数为较优取值27-28。静环材料为浸渍石墨 M106D,动环材料为高温合金GH3625,密 封 介 质
15、 为 高 温 空 气,物 性 参 数 见表2、表3。图1 动压涨圈密封结构示意图Fig.1 Schematic diagram of sealing structure of dynamic pressure expansion 第6期2 流固热耦合数值分析模型2.1 几何模型及网格划分假设动压涨圈密封处于稳定运行工况下,动、静环平行,忽略安装误差,几何模型如图3所示。经过网格无关性验证后密封环选择自由四面体网格,气体薄膜选择自由三角形面网格,确定网格数量为2565967个,网格划分结果如图4所示。2.2 流体域方程动压涨圈密封的切口流场和主密封面流场存在交互影响,两处流体的流动状态均为稳态层
16、流,且流体惯性力远大于重力,其中主密封面间流体为厚度微米级的流体薄膜,其控制方程可用雷诺方程表达。而静环在高温工况下产生明显热力变形,受表2涨圈密封环材料参数Table 2Material parameters of sealing ring with rising ring材料参数弹性模量E/GPa泊松比热导率k/(Wm-1K-1)比热容Cp/(Jkg-1K-1)热膨胀系数/(10-6 K-1)密度/(kgm-3)静环M106D150.31406905.02230动环GH36252050.313.262517.28400表3密封介质材料参数Table 3Material parameters
17、 of sealing medium高温空气属性参数黏度g/(10-5 Pas)热导率kg/(Wm-1K-1)比热容Cpg/(Jkg-1K-1)密度g/(kgm-3)数值1.810.025910051.205图2 动压涨圈密封环端面示意图Fig.2 Schematic diagram of sealing ring end face of dynamic pressure expansion ring图3 几何模型示意图Fig.3 Schematic diagram of geometric model图4 网格划分示意图Fig.4 Schematic diagrams of grid表1动压
18、式涨圈密封结构尺寸Table 1Structure size of dynamic pressure expansion ring seal结构参数静环外半径rb/mm静环内半径rei/mm密封端面外半径reo/mm静环轴向厚度Le/mm静环凸台高度Lb/mm静环径向宽度Hs/mm静环切口间隙a/mm数值40.033.039.06.0(4.014.0)0.56.0(4.57.0)0.3(0.21.2)结构参数动环外半径rro/mm动环内半径rri/mm动环轴向厚度Ls/mm螺旋槽槽根半径re/mm螺旋角/()螺旋槽槽深hg/m槽数N/个数值39.030.06.039.7156.0122567第
19、74卷化 工 学 报衬套的径向限制,静环周向膨胀明显,切口间隙减小,导致切口流场宽度远小于其他方向尺寸,其控制方程可用Bulk Flow方程表达29,如式(3)、式(4)。主密封面流场控制方程:x(gh3f12gpfx)+y(gh3f12gpfy)=Ux2()ghfx+Uy2()ghfy(3)切口流场控制方程:(guyn)y+(guzn)z=0(gu2yn)y+(guyuzn)z=-pnyf-()guyx-()guyz(guywn)y+(gu2zn)z=-pnzf-()guzx-()guzy(4)主密封面间流体膜的膜厚会受到螺旋槽的槽深和密封端面变形量的影响,流体膜的膜厚可以表示为:hf(x,
20、y)=hm+hgi+we(x,y)+wr(x,y)(5)切口流场宽度会受到静环切口左、右端面的变形量的影响,切口流场的宽度可以表示为:n=a+uel(y,z)+uer(y,z)(6)因主密封面间流体膜的厚度与切口流体的宽度均远小于流体其他方向尺寸,则在直角坐标系下的能量方程为:gCpgu T-kg T=:u(7)主密封面间流体膜与切口流体的边界条件如图5所示。高温、高压流体由边界1-2、1-6和7-10流入,经边界 3-4-5 和 8-9 流出,入口流体的压力Pi、温度Ti分别为0.34 MPa、465 K,出口流体的压力Po、温度To分别为0.1 MPa、320 K。动环转速15000 rm
21、in-1,边界9-10随动环转动,产生大量的黏性剪切热,同时流体膜在边界7-8和9-10上以热通量qg、qw向密封环端面输出热量。切口流体与切口的左、右端面以热通量q1、qr输出热量。切口流场边界5-6与流体膜边界5.1-6.1、5.2-6.2的压力、温度相等。2.3 固体域方程静环与动环均无内部热源,且温度在达到稳定工作状态时不再随时间变换,则密封环的热传导方程为:x(Tx)+y(Ty)+z(Tz)=0(8)动压涨圈密封稳定工作时的热边界条件如图6所示。动、静环端面边界3-4和12-13-14受到流体膜传递的热量qg、qw,而边界1-6和14-15-16分别与导热性能良好的衬套、转轴直接接触
22、,可视作热绝缘边界。动环随转轴旋转,静环保持静止,因此将动环边界 11-12、16-17-18-19 上的对流换热视为强制对流换热,而静环边界1-2-3、4-5-6上的对流换热视为较弱的强制对流换热。强制对流传热系数为:h1=0.05796kgDRe2 3Pr1 3,h2=0.105kgTa1 2Pr1 4Re=gUD g,Pr=gCpkg,Ta=gUR3 2()gRr1 2(9)动压涨圈密封为线弹性材料,可在弹性力学理论的基础上进行热力变形的分析计算,控制方程为:ijxj+fi=0i j=12()uixj+ujxii j=12G()ij-3+2Gkkij+Ti j(10)动压涨圈密封的固体域
23、边界条件如图7所示,边界2-3受到流体压力Pi和变形回弹力pe作用,静环外圆与衬套内圆贴合形成辅助密封面,边界1-6径向位移被限制。作用在静环边界1-2上的介质压力Pi形成闭合力,作用在边界3-4上的流体膜压力图5 流体边界条件示意图Fig.5 Schematic diagram of fluid boundary 第6期pf形成开启力,边界4-5-6受到出口压力Po,而边界1-6受到轴向摩擦力 Ff。切口的左、右端面 7-8 和9-10受到切口流体压力pn。动环的边界12-13受到流体压力Pi、pf作用,边界11-12、17-18-19受到流体压力 Po作用。动环随转轴转动且轴向固定,边界1
24、3-14和16-17轴向位移被限制,边界14-15-16径向位移被限制,动环整体受到离心力。2.4 耦合方法和流程主密封面间流体主要经密封面外侧泄漏,部分流体汇入切口流场,再同切口流场流体经切口密封凸台外侧一起泄漏,切口流场导致主密封面流场局部压力下降,主密封面间流体的汇入导致切口流场经密封凸台外侧泄漏增加。为分析切口流场与主密封面流场之间的耦合作用,同时求解两处流场控制方程,计算耦合处切口流场压力和主密封面流场压力,判定二者之差是否小于允许值,若大于允许值则再次迭代,直到小于允许值,进而实现切口流场与主密封面流场的耦合分析。动、静环在流体压力和流体换热的影响下产生热力变形,切口间隙和主密封面
25、间隙发生变化,导致流场的几何结构发生改变,进而影响流体压力和温度分布,为分析多物理场的耦合作用,对流场、温度场、变形场进行同时求解,根据密封环的变形修改流场参数,重新计算流体控制方程,通过迭代计算的方法收敛到稳定结果。具体计算流程如图8所示。2.5 结果分析动压涨圈主密封面内侧为高温流体,外侧为常温流体,密封环截面温度分布不均,沿径向逐渐减小,进而导致密封面产生不均匀变形,密封间隙呈发散间隙,如图9所示。高温流体由主密封面内侧流入,经外侧流出,在螺旋槽根部出现高于介质压力60.32%的高压区,说明螺旋槽可产生明显的动压效应。由于切口流场对主密封面间流体膜的影响,高压流体由主密封面流入切口,受影
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高温 动压涨圈 密封 结构 参数 多目标 优化 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。