表面织构对流体动压指尖密封性能的影响研究

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流体动压指尖密封是一种具有较好应用潜质的柔性非接触式动态密封装置,主要应用于航空航天发动机、燃气涡轮机和汽轮机等重大装备的密封部位,通常是依靠指尖靴与转子转动时产生的一层微薄动压气膜效应,使得密封片与转子之间完成非接触,具有低泄漏与长寿命的特征,适合应用于高速动态密封部位。但为了控制泄漏水平,这层动压气膜通常只有10~20μm,因此,如何通过表面织构技术等方法来控制其在工作中形成稳定的动压气膜是设计中的关键,而目前关于这方面的研究还十分欠缺。为此,结合表面织构技术的研究和应用情况,研究表面织构对泄漏流动的影响,对提升我国航空发动机密封技术具有重要的意义。本文利用有限元仿真分析软件Ansys Workbench平台的Transient structural和CFX模块对流体动压指尖密封进行双向流固耦合仿真,分析在不同转速、压差等工况下以及表面织构参数对其性能的影响规律,得到的结论如下:1.在常温条件下,带有表面织构的指尖密封气膜承载力都大于表面光滑无织构的指尖密封,泄漏率都小于无织构的指尖密封。这表明在转子表面加工表面织构能够有效提高指尖密封的密封性能。且当密封上下游压差不变时,转速越高,动压效果越明显,泄漏率越小,密封性能越好。当密封上下游压力差0.1MPa转子线速度100m/s时,相比于无织构表面,在转子表面加工5μm深的人字槽型表面织构深度后,气膜承载力提高了 10.39%,泄漏率下降了 20.75%。说明表面织构能够有效控制其在工作中形成稳定的动压气膜,降低泄漏率,进而提升密封性能。2.在密封上下游压力差0.4MPa转子线速度100m/s的工况条件下,分别研究了人字槽形、三角形、正方形、圆形和矩形五种不同形状的表面织构形对流体动压指尖密封产生的动压效果,发现人字槽和三角形表面织构的效果较好,相比于无织构,气膜承载力分别增大了 12.22%、11.84%,泄漏率分别减小了 10.46%、11.23%,且当三角形织构的尺寸越小排列越密时,密封效果越好。3.在密封上下游压力差0.4MPa转子线速度100m/s的工况条件下,当人字槽深度为5μm角度为45°时,相比于无织构表面,气膜承载力提高了12.22%,同时泄漏率下降了10.46%,且随着人字槽深度和角度的增大,气膜承载力呈现减小的趋势,泄漏率逐渐增加,但都比无织构表面密封性能好,表明在转子表面加工人字槽形织构能够有效地提升密封性能,且当人字槽的深度为5μm角度为45°左右时,密封性能最好。研究表面织构技术为流体动压指尖密封的结构设计与泄漏控制研究提供了重要参考。
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