接触式高压气流密封接触点传热及流固耦合传热研究

本项目以刷式密封与转子交互作用下接触点传热及流固耦合传热动力学规律为研究目标，综合多种因素的（刷丝之间、刷丝与后挡板摩擦以及刷丝弯曲效应）影响，应用数值模拟手段，建立非线性接触力数学模型以及接触力作用下流固耦合传热模型。利用课题组在密封-转子系统流固耦合实验方面积累的丰富经验和先进密封技术研究的基础，建立了刷式密封-转子系统学实验平台完成流固热耦合数学模型的验证。本项目旨在提出接触密封理论模型和接触力选择准则，通过实验和数值手段研究刷式密封-转子系统流固耦合传热规律，建立及完善流固热耦合数学模型，能数值分析不同刷式密封与转子系统结构下，系统内刷式密封与转子接触力及摩擦生热等参数，为研究工质泄漏、转子稳定性以及部件疲劳寿命提供重要的手段。

本项目采用数值模拟方法研究了紧凑管束内流动特征，揭示了刷丝内部的流动现象，并通过单丝接触力数学模型的研究，建立了气动力下单丝接触力计算方法。此外，采用多孔介质模型研究了刷式密封在不同几何条件下的泄漏流动特征及抑制泄漏的原理，进而应用到实际百万超超临界汽轮机组高压平衡活塞处密封系统中，细致研究了刷式密封对泄漏流动的影响。最后，利用有限元方法对刷丝尖端的接触受力进行研究，结合多孔介质模型尝试建立刷式密封顶端摩擦热源的流动换热模型，得到密封周围的流动换热状况。.本项目建立了流动试验台，模拟刷丝排列方式下管束内流动特征。针对管束排列方式、管束直径比例关系以及管束间隙变化，细致研究了管束内流动特征：涡量分布、雷诺应力分布、流向和法向脉动速度以及全场速度分布曲线，旨在指导刷丝与气体交互作用下气动力的加载方式。此外，改造了密封-转子系统试验台，通过研究刷式密封-转子系统在高压气流作用下的系统稳定性特征及刷式密封-转子之间接触力，来指导刷式密封-转子系统接触力导致摩擦生热结果。.结论显示：随雷诺数的增加，管束两端压差呈幂函数增长。多孔介质模型分析泄漏流动结果说明，从接触式零间隙到大间隙结构下泄漏量不断增加。径向间隙从0增长到0.1mm时，泄漏量增加一个数量级。当间隙增加到0.3-0.4mm时，间隙处泄漏量占总泄漏量的75%-80%。此外，近下游挡板截面刷丝自由端附近的径向压力梯度最大，促使流体径向流动到间隙处泄漏。在某汽轮机组改造的研究中发现，单级刷封的安装位置对泄漏量的影响可以忽略，但刷封个数的增加，抑制泄漏效果凸显。三道刷式密封，可使泄漏量下降80%。摩擦生热研究显示，接触力随着干涉量的变化出现迟滞效应。高温区域在刷丝尖端，温度沿径向呈指数衰减。流动实验表明：通过时均涡量、雷诺应力分布，发现随夹角变化，尾迹脱落漩涡的尺度、上下剪切层应力强度的变化过程。在管束上下沿处存在稳定的小尺度结构。密封转子试验表明：当刷式密封与篦齿密封混合使用时，发现刷式密封通过与转子结构形成了转子的支撑刚度，从而降低了转子的稳定性。.研究成果：发表了4篇SCI、4篇EI（国际会议）和1篇中文核心期刊论文，参加了2次ASME国际会议，宣讲了4篇国际会议论文，参加了3次国内会议并宣读论文3篇，申请了3项专利、获批1项著作权登记软件，培养2名博士和3名硕士。目前提交了第2项著作权登记软件、在审4篇SCI论文。