流体静压型指尖密封数值仿真分析

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1、第22卷第1期2007年1月热能动力工程JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERVol.22,No.lJan•■2007文章编号：1001-2060(2(X77)01-0015-06流体静压型指尖密封数值仿真分析王旭I,岳国强2,张文平2,郑群2(1•哈尔滨•第七0三研究所，黒龙江哈尔滨150036;2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黒龙江哈尔滨150001)图1静压靴与指尖臂型线示意图1.1学模型摘要：在分析接紐型指尖密対和流体动压型指关密时优缺点的基础上,提出了流体赭压熨

2、指尖密对，并以此为研究对象，建立了流体静压型指尖密対流固打合分析的數学模型和计算方法。针对流体规压型指尖密対泄漏和变形的主要影响因素，进行了数值计算和分析，计算结果表明：流体静压型指灵密封具有小变形和低泄漏的优点；密対间隙是彩响泄漏的主要因素，并且沿周向泄漏是主矣泄爲通道，间赚越小，沿周向泄漏越明显；压雄一定时，间障越小•静压耙的变形和应力越大，间隙一定时，压基越大，修压耙的变形和应力也越大。关键词:流体静压;指尖密封;流固耦合;泄漏中图分类号:0351文献标识码：A引言国外从1991年提岀指尖密封发明专利后⑴，取得具有工程应

3、用意义上的研究成果都是在1999年以后。接触型指尖密封是最先提出的一种指尖密封,优点是结构简单、工作可靠、封严性好;缺点是指尖靴与转子跑道间有一定的接触压力,转速较高时，摩擦产生的热量，降低指尖密封的耐久性和使用寿命;其次，过盈量太大，指尖岀现翘曲,造成沿指尖臂的侧向泄漏，同时又加剧指尖靴的磨损，也不可避免地造成一部分动力损失⑵。鉴于此，AroraGulshanK.ProctorMargaretP等人提出了流体动压型指尖密封的设计概念〔3*】。动压型指尖密封与接触式指尖密封的最大不同在于其动压靴，依靠足够的压力或转子的高速旋转

4、，在动压靴内表面生成径向压力，使其与转子间产生很小的径向间隙。为了使动压靴产生径向升力，可做成周向收敛型、周向Rayleigh型、轴向收敛型、轴向Rayleigh型或凹槽型等⑷。动压靴准确设计是实现非接触运行的关键。由于收敛型动压靴的收敛角很小，加工上很难控制;Rayleigh型或凹槽型是在动压靴的受压面加工阶梯型面或凹槽来实现动压作用，这要求动压靴有较大的尺寸，在工程实际中有时不能实现;为保证流体动压作用效果，往往在跑道上加工岀人字形凹槽或斜齿槽,一旦密封失效,将起反作用;另外，发动机的工况是町变的，很难保证动压型指尖密封在

5、整个工作转速范围内都保持良好的封严特性和工作可靠性。为此，本文提出了流体静压型指尖密封，其特点是使指尖靴只受流体静压作用,称为静压靴。当气流高速通过密封间隙吋，由于静压靴只受静压作用，作用于静压靴的压力远小于封前压力，因而保证了静压靴径向小变形的前提条件。本文提出的流体静压型指尖密封,是把静压靴的工作面作成圆弧型面，并fl与转子具有相同轴心，指尖臂设计成圆弧型线，如图1所示。'流固耦合分析方法静压靴在密封流体作用下产生变形，该变形的产生必将导致作用于静压靴载荷的重新分布，由此又将改变原流场的流动特性，因此，静压靴的工作是典型的

6、流固耦合问题。气流在密封间隙内的流动计算基于N-S方程，采用带壁面函数的k-e模式;收積日期：2006-06-05;修订日期：2006-09・08墓金项目：海军装备孩研基金资助项目(40101030104)作者简介：壬旭(1963-).男，辽宁沈阳人，哈尔滨•第七O三研究所研究员，工学博士.•16•热能动力工程2007年指尖应力和应变认为满足小变形条件下的线性关系。本文求解流固耦合问题的计算方法为：由ICEM创建流体计算模型并划分网格，用CFX进行流量和静压靴载荷分布计算，计算结果经CFX输出和AN-SYS输入后，进行指尖应力

7、和应变计算,到此完成第-个循环。计算结果经ANSYS输出和ICEM输入后,重新生成网格，再按前面的计算步骤重新进行流蚩和载荷分布计算，以及指尖应力和应变计算，完成第二个循环。此时，用第二个循环流量和静压靴的变形与第一个循环的计算结果进行比较，以判断流虽残差和变形残差是否都达到了规定的要求，如果达到了规定的要求，则认为计算已经收敛，否则继续迭代计算，直到收敛为止。本文设定的收敛条件为相邻两次计算的流虽残差和静压靴最大变形残差均小于5%o出口截面（Outlet）给定参考静压；上弧面（Openf、Opent）取Open边界条件;两侧

8、面取周期对称边界条件，保持流通量恒定;指尖实体部分取无滑移条件；静压靴工作弧面（Wpd）取壁面无滑移条件;转子表面取旋转壁面边界条件，给定工作转速。结构模型边界条件:指尖根部完全约束;低压指尖与后衬环接触部分完全约束。1.4网格划分由于流场不同位置上的尺度相差悬殊，静压靴的轴