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石墨密封流固热耦合泄漏特性研究与公式构造

赵欢 张然 孙丹 王双 胡海涛 常城

赵欢, 张然, 孙丹, 等. 石墨密封流固热耦合泄漏特性研究与公式构造[J]. 航空动力学报, 2023, 38(11):2648-2658 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220013
引用本文: 赵欢, 张然, 孙丹, 等. 石墨密封流固热耦合泄漏特性研究与公式构造[J]. 航空动力学报, 2023, 38(11):2648-2658 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220013
ZHAO Huan, ZHANG Ran, SUN Dan, et al. Study on fluid-solid-thermal coupling leakage characteristics of graphite seal and formula construction[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(11):2648-2658 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220013
Citation: ZHAO Huan, ZHANG Ran, SUN Dan, et al. Study on fluid-solid-thermal coupling leakage characteristics of graphite seal and formula construction[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(11):2648-2658 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220013

石墨密封流固热耦合泄漏特性研究与公式构造

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220013
基金项目: 国家自然科学基金(52075346); 先进航空动力创新工作站项目(HKC2020-02-030)
详细信息
    作者简介:

    赵欢(1982-),女,副教授,博士,主要从事航空发动机新材料密封技术研究。E-mail:phd_zhaohuan@163.com

    通讯作者:

    孙丹(1981-),男,教授,博士,主要从事涡轮机械先进密封技术研究。E-mail:phd_sundan@163.com

  • 中图分类号: V233.5

Study on fluid-solid-thermal coupling leakage characteristics of graphite seal and formula construction

  • 摘要:

    分析了石墨密封流固热多物理场耦合理论,建立了考虑石墨环变形的石墨密封流固热多物理场耦合数值求解模型,在验证模型准确性基础上,研究了碳石墨、浸锑石墨材料的石墨密封在不同压比、温度下的流场特性、结构力学特性以及泄漏特性,比较分析了石墨环变形前后密封泄漏量,并基于传统圆周石墨密封泄漏量公式构造了考虑石墨环变形的石墨密封泄漏量理论公式。结果表明:建立的石墨密封流固热多物理场耦合模型考虑了石墨环变形,可准确计算其泄漏流动特性与力学特性。流体在周向剪切流的作用下进入浅槽,并在浅槽内经挤压形成局部高压区。高压侧石墨环变形显著,其中碳石墨材料在高压比作用下变形明显,浸锑材料在高温作用下变形明显。当温度为400 K、压比为2~4时,碳石墨密封环变形量相较于浸锑材料平均减小了12.99%,密封泄漏量相比于浸锑石墨材料最大减小了6.89%。所构造的泄漏量理论公式可准确计算考虑石墨环变形的泄漏量,为石墨密封泄漏特性分析提供理论依据。

     

  • 图 1  石墨密封流固热多物理场耦合示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of graphite seal fluid-solid-thermal multiphysics coupling

    图 2  石墨密封流固热多物理场耦合计算流程图

    Figure 2.  Flow chart of graphite seal fluid-solid-thermal multiphysics coupling calculation

    图 3  石墨密封模型示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of graphite seal model

    图 4  石墨密封模型尺寸(单位:mm)

    Figure 4.  Graphite seal model dimensions (unit:mm)

    图 5  石墨密封网格划分

    Figure 5.  Graphite sealing grid division

    图 6  石墨密封耦合边界条件示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of graphite seal coupling boundary conditions

    图 7  密封流场分布云图

    Figure 7.  Seal flow field distribution cloud diagram

    图 8  石墨环应变图

    Figure 8.  Graphite ring strain diagram

    图 9  石墨环的应变特性

    Figure 9.  Strain characteristics of graphite ring

    图 10  石墨环应力图

    Figure 10.  Graphite ring stress diagram

    图 11  石墨环的应力特性

    Figure 11.  Stress characteristics of graphite ring

    图 12  石墨密封结构的泄漏特性

    Figure 12.  Leakage characteristics of graphite seal structure

    图 13  考虑石墨环变形的石墨密封泄漏量结果对比

    Figure 13.  Comparison of the leakage rate results of graphite seals considering the deformation of the graphite ring

    表  1  石墨环材料属性

    Table  1.   Graphite ring material properties

    参数碳石墨浸锑石墨
    弹性模量/GPa1430
    密度/(kg/m319302330
    比热容/(J/(kg·K))900690
    导热系数/(W/(m·K))60140
    泊松比0.250.21
    热膨胀系数/10−6 K−157.2
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    表  2  石墨密封工况参数

    Table  2.   Graphite seal working condition parameters

    参数数值及详情参数数值及详情
    流体属性理想空气湍流模型RNG k-$ \varepsilon $
    转速/(r/min)12000浅槽深/μm20
    出口压力/MPa0.5进出口压比2~6
    石墨温度/K298入口温度/K300~500
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    表  3  石墨密封泄漏量对比结果

    Table  3.   Comparison results of graphite seal leakage rate

    浅槽槽深/μm泄漏量/(g/s)相对误差/%
    本文文献[5]
    152.742.701.48
    203.863.782.12
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    表  4  两种材料石墨环在不同方向的变形量

    Table  4.   Deformation of graphite rings of two materials in different directions mm

    参数碳石墨浸锑石墨
    径向变形量0.00380.0037
    轴向变形量0.00730.0064
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    表  5  变形前后网格数量对比

    Table  5.   Comparison of grid quantity before and after deformation

    变形情况网格数量/万
    未考虑变形340
    考虑变形碳石墨340~350
    浸锑石墨340~345
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  • 收稿日期:  2022-01-11
  • 网络出版日期:  2023-06-21

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