双向旋转柱面气膜密封性能数值模拟与参数优化

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1、2016年11月第42卷第11期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsNovember2016V01．42No．11http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0682双向旋转柱面气膜密封性能数值模拟与参数优化马纲+，杨卫如(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083)摘要：在对气膜密封结构及性能分析的基础上，提

2、出了双向旋转倒斜T字型与双层斜槽型柱面气膜密封界面结构；建立了2种结构密封气膜的数理模型和基于有限元方法的密封气膜数值分析模型；在VC平台上开发了基于有限元计算的密封气膜压力分布、系统密封特性及槽型结构多维参数优化的计算分析程序，实现了对密封气膜压力分布、密封特性的数值计算及结构参数的优化设计；在Gambit中建立了不同平均膜厚下倒斜T字型柱面气膜的物理模型和有限元分析模型，通过FLUENT进行了密封气膜特性数值仿真，商用软件仿真结果与自主开发程序数值计算结果对比一致性好，验证了开发程序的正确性；计算对比了2种界

3、面结构的密封稳态特性与动态特性，在相同计算参数下，倒斜T字型的密封性能优于双层斜槽型，为密封系统设计选型提供了帮助；基于遗传思想的粒子群多维优化(GAPSO)计算程序的开发，为槽型参数的优化设计提供了有效的手段。关键词：双向旋转；柱面气膜密封；数值模拟；FLUENT仿真；GAPSO中图分类号：H117．1文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)11-2279—10气膜密封是利用气体动、静压原理，通过密封动、静环界面的槽型结构在密封位置形成密封气膜¨j，实现密封界面非接触状态，达到低泄漏、长寿命的密封

4、效果心1。气膜密封适用于高速旋转场合，广泛应用于鼓风机、压缩机等高速旋转设备中，在航空发动机中的应用也受到广泛关注¨1。工程实践中，单向旋转气膜密封应用广泛，但由于机器启动时阀门被打开或者泄漏，当压缩机及其出口阀之间存在大量气体或者驱动电机被错接时，压缩机可能发生反向旋转运动。反向旋转时，单向螺旋槽无法提供动压开启力而容易引起密封界面的磨损失效等后果H。。双向旋转端面气膜密封的研究已经被成功应用。JohnCarne公司从20世纪80年代后期开始研制双向旋转端面气膜密封，其研制的28BD已成功应用于俄罗斯等国的高速

5、压缩机‘51。德国Burgman公司研发的V型槽结构可在多种密封结构下使用¨J。天津克兰密封有限公司研制的八字型槽气体端面密封在高速透平机上得到了应用‘7

6、。柱面气膜密封研究开展相对较晚，近年来逐渐引起重视。2001年，Salehi和Heshmat¨1在成功应用的径向柔顺箔轴承的基础上提出并进行了柱面形式的柔顺箔密封研究，其平滑顶箔与高速轴颈之间可形成流体动压密封气膜，并在小型气涡轮发动机模拟器上进行了柔顺箔密封系统的性能实验研究，但其密封界面为光滑圆柱，单向运转。2002年，英国帝国理工大学的Sayma等㈦o提

7、出了在大直径航空燃气轮机的转子叶尖处应用气控密封即柱面气膜密封的问题，提出了此密封应收稿日期：2015-10—20；录用日期：2015—12-04；网络出版时间：2016-01-2115：47网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160121．1547．011．html基金项目：国家自然科学基金(51075018)％通讯作者：Tel．：010-82317745E—mail：mgbuaa@163．corn引用格式：马纲，杨卫如．双向旋转柱面气膜密封性能数值模拟与参数

8、优化ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(J1)：2279—2288．MAG．YANGWR．Numericalsimulationandparameteroptimizationofsealpropertyofbidirectionalrotatingcylindergasfilm【i]．如umalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(11)：2279—2288(inChinese)．2280北京航空航天大学学报有结构柔性和基于Nav

9、ier．Stokes方程的气弹性分析模型，但未提出具体结构型式。2004年，Sha—piro等¨““1对光滑密封界面、螺旋槽密封界面形式下柱面气膜密封的分析方法、试验结果进行了深入的研究，但其设计及分析试验均是在单向旋转的条件下进行。国内，笔者研究团队针对柱面气膜从数值分析方法、界面结构、稳态特性及动态特性等方面开展了一系列的研究¨’121，针对的都是单向旋转条件。柱面气