透平机械刷式密封泄漏流动与迟滞特性和流固耦合机理的研究

对透平机械高性能刷式密封在变工况下的泄漏流动和迟滞特性开展详细地实验测量和数值分析，并对刷丝束内泄漏流动引起的刷丝束结构变形规律的流固耦合机理进行深入研究。分析刷式密封前夹板和后夹板的几何结构参数、刷丝束的厚度、倾斜角和刷式密封运行参数对其泄漏特性的影响规律，研究总结变工况下刷丝束与后夹板间摩擦力和流体力的流固耦合作用下的刷式密封迟滞特性的基本机理和规律。研究探讨低迟滞刷式密封减压槽的作用机制和最优结构设计。为进一步提高透平机械刷式密封的密封性能和低迟滞刷式密封设计提供理论基础和技术支撑。

对透平机械刷式密封的泄漏流动、摩擦热效应和流热固耦合的迟滞特性及其影响因素进行了详细地实验测量和数值模拟研究，并对刷式密封的泄漏特性和摩擦传热机理采用多孔介质和传热模型进行了深入地理论分析。设计搭建了刷式密封泄漏特性实验台。主要工作成果：（1）建立和完善了基于多孔介质模型的刷式密封泄漏特性数值模型和计算方法。实验和数值研究了压比、转速和间隙对刷式密封泄漏特性的影响因素，揭示了刷式密封的封严机理和影响机制。（2）发展了基于线性悬臂梁和增强的拉格朗日法的单根刷丝和整圈刷丝与转子的接触模型，考虑了刷式密封中刷丝与转子之间的接触以及流体在转子横截面内对刷丝的均布力效应，研究了刷丝的安装角度、刷丝与转子的干涉量以及转子横截面内的流体均布力对刷丝与转子之间接触力的影响特性。基于点-面接触、梁-梁相交接触和梁-梁平行接触模拟了刷式密封中刷丝端部与转子表面接触、刷丝与背板边缘接触以及刷丝之间的接触，建立了刷式密封的非线性接触模型，并通过试验研究刷式密封迟滞特性的数据验证了所建立模型的有效性。研究分析了刷丝径向刚度一定时，刷丝直径、刷丝长度和刷丝角度对刷式密封迟滞特性的影响规律。（3）完善了基于接触力模型和传热机理的刷式密封传热模型。发展了考虑刷丝束变形效应的流热固耦合的刷式密封摩擦传热数值模型和计算方法。数值研究了转速、压比、干涉量对刷式密封摩擦热效应的影响规律。阐明了刷式密封摩擦传热机理和刷丝束温度的变化规律。为刷式密封的设计和稳定运行提供了理论基础和技术数据。（4）参考有关文献的基础上，设计了低迟滞刷式密封结构，采用RANS方程和Non-Darcian多孔介质模型研究了低迟滞刷式密封和常规刷式密封在不同径向间隙下的泄漏特性。本项目在执行期间，发表国际期刊论文5篇、国内期刊论文3篇、国际会议论文5篇和国内会议论文3篇，发表论文中SCI收录5篇、EI收录10篇，培养并毕业硕士研究生2名。