悬臂式柔性支撑柱面气膜密封力学性能研究_许冬伟.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.015文献引用:许冬伟，刘美红，孙军锋悬臂式柔性支撑柱面气膜密封力学性能研究 J 润滑与密封，2023，48(2):103109Cite as:XU Dongwei，LIU Meihong，SUN Junfengesearch on mechanical performance of cantilever flexible supporting cylindrical gas filmseal J Lubrication Engineering，2023，48(2):103109*基金项目:国家自然科学基金项目(51765024)收稿日期:20211109;修回日期:20211227作者简介:许冬伟(1995)，女，硕士研究生，研究方向为柱面气膜密封。Email:xdw2930179856 。通信作者:刘美红(1973)，女，博士，教授，主要研究方向为多物理场耦合理论及应用、流体密封理论及应用。Email:64115737 。悬臂式柔性支撑柱面气膜密封力学性能研究*许冬伟刘美红孙军锋(昆明理工大学机电工程学院云南昆明 650500)摘要:基于三维 SolidWorks 软件建立柱面气膜悬臂式柔性支撑结构模型，分析柔性支撑结构对柱面气膜密封结构稳定性的影响;采用单向流固耦合的仿真方法，研究悬臂支撑板厚度、支撑结构材料、悬臂支撑数量，以及气膜操作参数转速和压差，对悬臂式柔性支撑结构和浮环的最大变形、最大应力应变有影响。结果表明:随悬臂支撑板厚度增大，平均变形量和平均等效应力减小;随悬臂支撑板数量增加，最大变形量逐渐减小，最大等效应力先增大后减小;研究的铝合金、铍青铜、不锈钢及钛合金 4 种悬臂支撑板中，不锈钢材料悬臂支撑板的最大变形量最小，承受的最大等效应力最大;随着转速和压差的增加，悬臂支撑板最大变形量以及最大等效应力均逐渐增加。在研究范围内，柔性支撑结构可以减小浮环的变形量，浮环变形量小于最小气膜厚度，保证了密封结构稳定运行。关键词:柱面气膜密封;悬臂式柔性支撑;单向流固耦合;力学性能中图分类号:TH117.1esearch on Mechanical Performance of Cantilever FlexibleSupporting Cylindrical Gas Film SealXU DongweiLIU MeihongSUN Junfeng(Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500，China)Abstract:The cylindrical air film cantilever flexible support structure model was established based on the threedimen-sional SolidWorks software，and the influence of the flexible support structure on the stability of the cylindrical air film sealstructure was analyzedBy using a oneway fluidsolid coupling simulation method，the influence of the thickness of canti-lever support plate，the material of cantilever flexible support structure，the number of cantilever supports，and the gas filmoperating parameters of rotational speed and differential pressure on the maximum deformation，maximum stress and strainof cantilever flexible support structure and floating ring were studiedThe results show that as the thickness of the cantileversupport plate increases，the average deformation and the average equivalent stress decreaseWith the increase of the numberof cantilever support plates，the maximum deformation gradually decreases，and the maximum equivalent stress first increa-ses and then decreasesAmong the four cantilever support plates of aluminum alloy，beryllium bronze，stainless steel and ti-tanium alloy，the maximum deformation of stainless steel cantilever support plate is the smallest and the maximum equiva-lent stress is the largestcylindrical gas film seal structureWith the increase of rotational speed and pressure difference，themaximum deformation and the maximum equivalent stress of the cantilever support plate increase graduallyWithin thescope of research，the flexible support structure can reduce the deformation of the floating ring，and the deformation of thefloating ring is less than the minimum gas film thickness，which ensures the stable operation of the sealing structureKeywords:cylindrical gas film seal;cantilever flexible support;oneway fluidstructure coupling;mechanical perform-ance在高速透平机械中，采用先进密封技术和密封系统，不仅可以提高整机效率、减小功耗，而且可以保证结构相关零件的寿命1。柱面气膜密封因其独特的柔性结构，可以应对航空燃气轮机转子系统剧烈的振动和热力变形，对降低航空燃气轮机功耗具有重要意义。柱面气膜密封自 20 世纪 90 年代第一次提出以来2，国内外研究人员对其进行了深入研究。一方面，研究人员针对气膜不同参数，对柱面气膜密封进行稳态密封性能分析和动态性能分析35。另一方面，研究人员参照气体轴承结构，在柱面气膜密封上安装柔性支撑结构，解决了透平机械运行过程中产生的大跳动以及大变形，保证了气膜密封非接触运行的稳定性6。HESHMAT 等7 对柔顺箔结构柔性支撑柱面气膜密封，洪杰等人8 对橡胶结构柔性支撑柱面气膜密封，分别采用流固耦合方法计算气膜压力场，并通过实验证明 2 种柔性支撑结构可以有效改善压力场。白超斌等9 针对一种波箔结构柔性支撑柱面气膜密封，采用流固耦合方法，分析气膜厚度、浮环与转子的偏心率，以及柔性支撑结构的泊松比、弹性模量、波箔数量等参数，对柔性支撑结构的变形以及应力的影响。SUN 等10 提出一种新型柔性支撑圆柱气膜密封，基于直槽气膜建立柔性支撑波箔柱面气膜密封模型，并采用流固耦合数值仿真方法分析柔性支撑的平均等效应力。赵超越等11 提出一种鼓泡型柔性支撑柱面气膜密封结构，通过分析鼓泡结构变量以及平箔变量参数等分析其力学性能，证明了鼓泡型支撑结构提高柱面气膜密封的稳定性。对柔性支撑结构的性能分析，目前一般采用的有限元分析方法和流固耦合方法。陈洋洋等12 利用SolidWorks 软件建立螺旋槽干气密封动环和气膜的三维模型，使用 ANSYS Workbench 对模型进行单向流固耦合分析，得到动环密封端面的应力和应变分布情况，研究动环转速和气体介质压力对动环密封端面应力和应变的影响。李雪斌等13 建立静环与气膜的三维模型，利用瞬态结构模块和流场模块建立流固双向耦合模型，分析流固耦合前后模型的最大变形。陈汇龙等14 建立密封动环三维模型，针对不同工况下石墨、SiC、WC 和结构钢 4 种材料动环进行单向流固耦合分析，分析 4 种材料动环变形和应力分布，结果表明，最大变形发生在动环端面螺旋槽顶端，SiC 材料动环变形较小。GLCK 等15 使用有限元程序对具有大位移的膜和薄壳结构模型进行瞬态流固耦合数值模拟，采用高度适应流体模拟和高度适应结构动力学仿真进行耦合分析，基于有限体积法计算三维、不可压缩湍流模型，分析模型变形状态。此外，MA 和DU16 针对悬臂式柱面气膜密封系统，基于流固耦合方法分析气膜力学性能和稳态性能。目前针对柔性支撑气膜密封结构的相关研究，已取得一定的成果。但建立的鼓泡、波箔等柔性支撑仿真计算模型与实际模型存在一定的差距，如鼓泡支撑实际为平箔弯曲成开口筒结构，而仿真模型假设为封口圆筒结构;同时，仿真模型不能考虑平箔厚度变化对密封稳定性的影响。本文作者以悬臂式柱面气膜密封系统为研究对象，采用流固耦合方法，分析悬臂支撑厚度、悬臂材料、悬臂数量以及气膜操作参数对密封稳定性的影响，以及柔性支撑结构的变形和应力变化情况。1柱面气膜柔性支撑流固耦合场分析1.1柱面气膜柔性支撑结构模型悬臂式柔性支撑柱面气膜密封结构如图 1 所示，主要由动环转子、浮环、悬臂支撑板以及支撑座等组成。动环转子旋转带动动浮环之间气体流动，在动浮环之间偏心作用下，气体动压效应生成气膜，分离动浮环，完成动浮环之间的非接触状态;同时，对于浮环承受的大变形以及较大的应力，采用柔性支撑结构进行支撑以及缓冲，减小浮环的变形，保证动浮环之间微间隙的非接触，利用气膜进行密封，达成柱面气膜密封结构的密封作用。图 1悬臂支撑柱面气膜密封结构示意Fig.1Schematic of cantilever supportcylinder gas film seal structure1.2悬臂式柔性支撑柱面气膜参数定义研究的悬臂式柔性支撑柱面气膜密封结构参数见表 1。表 1悬臂式柔性支撑柱面气膜密封结构参数Table 1Structural parameters of cantilever flexiblesupporting cylinder gas film seal参数数值参数数值气膜偏心率04浮环内径 di/mm12002槽数18浮环厚度 Br/mm10槽深 hg/m7悬臂支撑板数量1422槽长宽比18悬臂支撑板厚度 Bp/mm 1524平均气膜厚度 h/m10401润滑与密封第 48 卷2流固耦合模型建立2.1流固耦合模型及设置对悬臂式柔性支撑柱面气膜密封进行流固耦合分析时，气膜流体域设置压力进出口边界条件。将气膜内表面设置为动壁面，设置转速参数，将气膜外壁面为静壁面，