【摘 要】
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刷式密封是一种新型接触式动密封,近年来凭借其优良的密封性能被广泛应用。随着燃气轮机向高转速、高压比发展,刷式密封在恶劣工作环境下,尤其是高温、高压、高旋流情况下,刷丝容易发生大变形以及周向滑移失稳,进而导致密封失效,影响其使用寿命和燃气轮机性能。本文主要研究了进口旋流对刷式密封刷丝的变形及气动稳定性的影响。首先,采用刷式密封双向流固耦合方法,对刷式密封进行数值模拟和刷丝力学分析。在旋流马赫数0～0
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刷式密封是一种新型接触式动密封,近年来凭借其优良的密封性能被广泛应用。随着燃气轮机向高转速、高压比发展,刷式密封在恶劣工作环境下,尤其是高温、高压、高旋流情况下,刷丝容易发生大变形以及周向滑移失稳,进而导致密封失效,影响其使用寿命和燃气轮机性能。本文主要研究了进口旋流对刷式密封刷丝的变形及气动稳定性的影响。首先,采用刷式密封双向流固耦合方法,对刷式密封进行数值模拟和刷丝力学分析。在旋流马赫数0～0.882范围（进口旋流速度0 m/s～300m/s）内,探索刷丝变形规律及周向滑移失稳特性,并通过二维力学理论分析揭示刷丝周向滑移失稳的内在机理。在此基础上,设计提出了带孔式前挡板刷式密封结构和新型带肋片前挡板刷式密封结构,对比分析了前挡板带轴向孔、径向孔、肋片倾斜角度、肋片高度、肋片间距对刷式密封流场特性、泄漏特性以及进口旋流速度的影响,以提高刷式密封稳定性。主要研究结论如下:（1）在轴向压差和进口旋流的作用下,引起刷丝变形的主要是轴向气动力和周向-径向平面内垂直于刷丝的法向气动力,且刷丝所受应力主要分布在刷丝悬挂区域。随着进口旋流增大,刷丝所受轴向气动力逐渐减小,法向气动力逐渐增大。在刷丝与转子间零径向间隙刷式密封结构中,当进口旋转马赫数高于0.882（SV=300m/s）时,刷丝发生周向滑移;在径向间隙为0.2mm刷式密封结构中,当进口旋转马赫数高于0.558（SV=200m/s）时,刷丝将发生周向滑移。理论分析表明,刷丝周向滑移与法向气动力Fn和轴向气动力Fax比值有关;当Fn/Fax＞0.608时,刷丝将发生周向滑移失稳,泄漏量显著增大。（2）带孔式前挡板结构可以有效调节和控制刷丝上游旋流轴向孔具有促进泄压的作用,诱导旋流径向内流,从而降低周向速度分量。在前挡板开一个轴向孔,旋流速度可从基本模型的50.9m/s降低至32.5m/s,降低约36%;开两个轴向孔,旋流速度降至28.8m/s,降低约43.5%,径向孔对降低旋流作用并不明显;带两个轴向孔和一个径向孔的结构降旋效果最优,进口旋流速度降低了约49%。（3）带肋前挡板造成进口流场流动复杂,具有扰流、耗散气流能量的作用;肋片正倾斜角明显更有效地减少刷丝上游流域旋流速度,随着倾斜角的增加,肋片下方的旋流速度也会增加,降低旋流速度的最佳角度约为20°;肋片的高度与间距比是另一个关键参数,在肋片倾斜角为20°时,研究了从0（无肋）到0.4之间的比值,比值越大,降低旋流效果越好。综合来看,降旋效果最佳的带肋片前挡板结构参数为:肋片倾角20°、肋片高间比0.4（高度2mm,间距5mm）,该结构可使进口旋流速度降低至基本模型的102.95%,降旋效果显著。这将有利于抑制刷式密封在高旋流工作条件下的周向滑移失稳问题,提高刷式密封稳定性及密封性能。
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