双级低滞后刷式密封温度场研究

《双级低滞后刷式密封温度场研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、双级低滞后刷式密封温度场研究　　摘要：针对一种结构参数的双级低滞后刷式密封真实物理模型，运用热对流和热传导方法进行温度场数值计算。在改变压比的条件下，讨论其对于密封温度场的影响。分析表明：压比的增加都会带来密封区域温度场的变化和最高温度的升高，但由于压比的增大导致泄漏流体的冷却作用增强，温度升高幅度会随着压比的增大而减小。低压级刷丝端部的温度值比对应的高压级刷丝端部温度值高。沿刷封的径向，密封温度基本呈指数下降。关键词：双级低滞后；刷式密封；热对流和热传导；温度场中图分类号：TB42文献标识码：A刷式密封是航空发动机气路密封的一种，与已经得到广泛使用的篦齿密封相比，其具有密封性能优异等优点。实

2、际应用表明，仅在航空发动机1处或几处关键部位采用刷式密封代替篦齿密封，就可使发动机推力提高1%～3%，燃油消耗率下降3%～5%。因此，刷式密封被认为是篦齿密封的替代品之一，其应用对于航空发动机性能的提升具有显著的作用。10作为影响刷式密封磨损的重要因素之一，刷丝的温升成为研究刷封性能必须考虑的一项内容。Hendricks等人采用理论推导和有限元分析的方法得到了刷丝束与转轴热量的大致分配结果，并对刷丝与流体之间的换热进行了推测。Owen和Jones通过实验研究了刷式密封中刷丝、流体和转轴的相互热量传递情况，建立了刷丝区域热量传递的理论模型，并得到了计算公式。同样，为了研究刷式密封的各参数对传热特

3、性的影响，邱波等人建立了基于多孔介质模型的刷式密封传热特性的计算方法。采用数值计算的方法研究了刷式密封的某些参数变化对传热特性和最高温度值的影响规律。本文根据刷式密封的实际物理模型，采用热对流和热传导的方法对刷式密封的温度分布进行了探讨。1双级低滞后刷式密封相对于单级低滞后刷密封而言，多级低滞后刷式密封所能承受的压差要大很多，而且具有对工作环境适应能力更强、密封性能更好等优点。由于实际工作中的压差不稳定、转轴运动情况复杂、振动等因素，采用多级低滞后刷密封将成为进一步提高刷封密封性能的更好的选择。如图1所示为双级低滞后刷式密封的结构图。本文以图1所示的密封结构为例，采用对流和传导换热的方法对其温

4、度场进行研究。为了分析压比（进口压力比出口压力）对于密封温度场的影响规律，根据刷密封的对称性，以密封区域的轴向和沿刷丝方向形成的平面进行二维计算，以此分析参数对性能的影响。2计算模型102.1摩擦热量的产生刷式密封的主要热量来源于刷丝与转轴的摩擦。关于此摩擦热的计算，已经有学者进行过分析，其给出的摩擦热表达式为：（1）式中的为摩擦系数，为刷丝端部与跑道相接触所产生的法向接触力，为跑道的表面速度。刷丝端部与跑道相接触产生的法向接触力包括两部分：一部分是密封压场对刷丝的作用力，另一部分是由于初始过盈安装产生的接触力，为刷丝的端部刚度与刷丝端部过盈量的乘积，即（2）这里的端部刚度主要指的是刷丝的径向

5、刚度，即刷丝的端部沿转子径向产生单位位移所需的力。根据一些学者的研究，刷丝的端部刚度计算式为：（3）上式中的为刷丝的弹性模量，为刷丝的直径，为刷丝自由长度，为刷丝与转轴径向的夹角。从而可得摩擦热的表达式为（4）2.2刷丝区域速度场和压场求解10考虑到刷密封结构的对称性，计算模型选用密封轴向—刷丝方向的二维区域。假定密封区域内的流体为理想可压流体，其与刷丝的对流换热满足流体的对流换热控制方程，包括连续性方程、动量微分方程，即：（5）（6）式中为密度，为时间，为密封轴向速度和刷丝方向速度，为密封轴向和刷丝方向的体积力，为流体的绝对粘度。采用基于交错网格技术的控制容积法将式（5）和式（6）进行离散，

6、利用SIMPLE算法对离散后的进行求解，即可得刷丝区域的压力场和速度场，进而可以求得压场对刷丝的作用力以及各计算点处的速度u和速度v。2.3对流换热计算对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式，即为：（7）式中的为对流换热系数，为对流换热的面积，为流体与换热面之间的温差。2.3.1沿密封轴向对流换热计算图3所示为某叉排管束模型，该模型与Raymond等人建立的刷丝横向截面模型是一致的。在密封的轴向，从与流体进行对流换热的方式来看，刷式密封和叉排管束是相同的。因此，沿密封轴向对刷丝与流体之间的对流换热系数计算，采用流体与叉排管束的对流换热系数的求解方法。10对于沿密封轴向的换热系数，采用努赛尔数，即数

7、来表征。作为流体与固体表面之间换热强弱的一种度量，该数反映了表面上的无量纲的过余温度梯度，对流换热系数与其之间的关系为：（8）式中的为空气的导热系数，为刷丝区域的水力半径。在沿密封轴向，。对于数，采用如表1的实验关联式。表中的为换热点处对应的流体的雷诺数。根据其定义得：（9）式中为流体的运动粘度。2.3.2沿刷丝方向对流换热计算在沿刷丝方向，根据假设的边界条件，先考虑单根刷丝与流体之间的对流换热过