第7卷 第13期 2007年7月1671-1819(2007)13-3157-03科 学 技 术 与 工 程
Sc i ence T echno logy and Eng i neer i ng
V o l 7 N o 13 July2007
2007 Sc i T ech Engng.
动压型指尖密封泄漏特性的分析
李国见 李建华 陈国定 苏 华
(西北工业大学机电学院,西安710072)
摘 要 指尖密封其密封,性能的好坏直接体现在气体泄漏量的大小上。影响指尖密封气体泄漏量的因素有压差、主轴转速、迟至率,以及转轴的跳动等。主要研究密封两端气体压差以及主轴转速对动压型指尖密封气体泄漏量的影响。利用有限元软件AN S Y S、CFX,对在不同压差、不同主轴转速条件下,动压型指尖密封靴部的变形以及气体泄漏量进行了分析。研究表明压差、主轴转速对动压型指尖密封的密封性能有很大影响,为动压型指尖密封的设计提供了一定的参考。
关键词 指尖密封 靴部变形 泄漏量
中图法分类号 TP391.9; 文献标识码 A
指尖密封是继蓖齿密封和刷式密封之后出现的一种新型密封技术,主要应用于航空发动机主轴承腔和气流流路密封。指尖密封分为接触型和非接触型两种密封方式;动压型指尖密封就是一种非接触型指尖密封。在转子的高速转动下,由于动压靴特殊的结构,产生动压,使动压靴浮起,与转子跑道保持一定的间隙,从而使转子跑道与密封片之间没有摩擦。转轴转速及压差对流场和泄漏特性的影响,对于动压型指尖密封设计的成功与否至关重要,本文利用FE M软件ANSYS10.0与CFX10 0对上述特性进行分析。
1 计算模型
1 1 指尖密封片模型
本文研究的指尖密封结构为双密封片结构:与下游低压气体接触的密封片为低压密封片,指尖靴部带有宽垫(结构如图1a),为动压靴,宽垫内表面与转轴间形成起楔形流场,在转轴的高速转动下产生动压;与上游高压气体接触的密封片为高压密封片,指尖靴部无宽垫(结构如图1b),具有挡住低压密封片指尖梁之间间隙的作用。
2007年3月8日收到
第一作者简介:李国见(1979 ),男(汉),山东人,硕士研究生。
E-m ai:l li guoji any@s i an.co m
。
(a)
低压密封片
(b)高压密封片
图1 指尖密封片模型
1 2 流场模型
由于指尖密封沿圆周方向为旋转对称结构,所以取三个低压指尖靴,两个半个和两个整个的高压指尖靴下面的气流为分析对象,其模型如图2。图2中1为高压靴下面的流场;2为低压靴下面的流场,形状为楔形,厚度为0 02-0 07mm;3为相邻高压靴之间间隙内的流场,4为低压靴之间间隙内的流场。
图2 流场模型
科 学 技 术 与 工 程 7卷
2 3 网格划分
应用ANSYS I CE M CFD 10 0对流场模型进行网格划分,由于流场不同位置上的尺度相差悬殊,所以对流场划分若干块,按结构化网格进行划分,对低压靴和高压靴下面的流场划分得很细,远离这个两个区域的部分则划分得相对较粗。流场网格如图3
所示。
图3 流场网格划分
1 4 边界条件的设定
将I CE M CFD 划分的网格输入到CFX 中,进行边界条件设置(如图4)。1为低压靴与转轴间气流的出口及高压靴间气流的出口,设为出口边界条件;2为高压靴与转轴间气流的进口,设为进口边界条件;3为低压靴间气流的上表面,设为开放边界条件;4高压靴间气流的上表面,设为开放边界条件,5为低压靴间气流的中间面,设为周期边界条件;6为低压靴、高压靴与转轴间气流的下表面、高压靴间气流的下表面和低压靴间气流的下表面旋转墙边界条件;7为低压靴、高压靴与转轴间气流的上表面,是流固耦合的交互面,设为固体墙边界条件,它的网格移动类型设置为ANSYS M ultifield 、Specifi e d D isp l a ce m en,t 其余流场表面设置为无网格移动的固
体墙边界条件。
图4 场边界条件
1 计算结果及讨论
采用ANSYS CFX-SOVLER 进行求解,收敛精度
设为1 0 10-6
。
流线最能代表流体流过其区域的实际情况,图5
为从高压区进口流入流场内的流线图。
图5 流场内流线图
从图6中可以看出,从进口流入的流体的流向分三部分,如图6
所示。
图6 流场内流体流程图
从图6可以得到指尖密封的泄漏量等于进口流
入的流体减去从高压靴间隙流出的流体。
图7表示了不同压差、不同转速条件下,指尖靴部的最大径向变形。从图7中可以看出在同一转速下,压差越大,靴部最大径向变形就越大;在同一压
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13期
李国见,等:对动压型指尖密封泄漏特性的分析
差下,主轴转速越高,靴部最大径向变形也越大。转
速与压差是影响靴部最大变形最重要的两个因素。
图7 靴部最大径向变形量与转速关系曲线
图8所示为不同压差、不同转速条件下,指尖密封的不同泄漏量。从图8中可以看出在同一转速下,压差越大,气体泄漏量就越大;在同一压差下,主轴转
速越高,气体泄漏量也越大。随着转速的增高,泄漏量增大有两个原因:一个是由于转速升高,使气体的流动速度加快,所以单位时间内气体的泄漏量也随之增加;另一个原因是由于转速升高,气体对动压靴的压力也增高了,造成靴部的变形变大,使之靴部与转轴间的间隙增加了,所以气体的泄漏也随之增加。
3 结论
(1)动压型指尖密封的气体泄漏量很小,
符合
图8 泄漏量与转速关系曲线
密封性能好寿命长的要求。
(2)主轴转速及压差对指尖靴部变形和气体泄
漏量有影响,为根据实际的工况以及对密封性能的要求来设计动压型指尖密封提供了参考。
参 考 文 献
1 B raun M J ,e ta l .N on -con tracti ng fi ner seal devel op m en ts and desi gn
cons i derations .NASA /CP 2004-212963,vo l 1,2004
2 H oney w ell Internati onal Inc .Dual press u re bal an ced non -con tacti ng
fi nger A patent num ber:US6364316,2,Apri,l 20023 B raun M J ,Kud ri avtes v V V.Tw o and t h ree di m en sional num eri cal
experi m en t s representi ng t w o li m iti ng cas es of an i n li n e pair of fi nger sea co m pon ents .
Th e 9t h In t ernational Sy m pos i um on T ransport
Pheno m ena and Dyna m ics ofRotati ng M ach i nery ,H onol u l u H a w aii,Febru ary 10-14,2002
4 陈国定,徐 华,等.指尖密封型线力学性能的有限元分析.西北工业大学学报,2002;20(2):
5 陈国定,徐 华,等.对数螺线指尖密封的装配变形分析.机械科学与技术,2002;21(6):
Anal ysis to the L eakage Patterns of H ydrodyna m ic Pressure Fi nger Seals
LI Guo -jian ,LI Ji a n -hua ,CHEN Guo -ding ,Su H ua
(S chool of E lectro -M echan ics ,Northw es t ern Polyteehn i calU nivers it y ,X i an 710072,P .R .Ch i na)
[Abstract] The seal perfor m a nce of finger seals is presented d ir ectl y by leakage m ass flo w .The factors t h at affect leakage incl u de pressure differentials ,rotor speeds ,hysteresis and the s w i n gs of r otor ,etc .the i n fluence of the pr essure differe ntials and rotor speeds on t h e leakage flo w m ass flo w of hydrodyna m ic pressure finger seals are researched .The defor m ati o n ofH ydr odyna m ic Pressure Fi n ger Seals Roots and m ass flo w have bee n ana l y zedw ith FE M code ANSYS a nd CFX .The research work i n dicates t h at pressur e differe ntials and rotor speeds have i n fluence on hydr odyna m ic pr essure fi n ger seals perf o r m ances .A reference for hydrodyna m ic pressure finger seals s desi g n i s pr ovided .[Key words] fi n ger seals defor m ation of the roo ts m ass flo w
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