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高速摄像机在刷式密封刷丝动力学特性研究中的应用

密封结构是现代航空发动机附件系统中关键部件之一,尤其是压气机中的气路密封,直接影响航空发动机的增压比和工作效率。刷式密封作为一种新型的密封装置结构(如图1ab)



(如图1a) 刷式密封实实物图

      随着着国内外学者的深入研究使得刷式密封的工作使用效率越来越高,在发动机的某部位将原来的迷宫密封由刷式密封替代,可以有效改善发动机性能,对刷式密封刷丝动力学特性的研究尤其重要。因此,沈阳航空航天大学航空发动机学院副院长孙丹教授率领其先进密封技术科研团队对其进行了一系列研究,探析其深层机理


(图1b)刷式密封三维示意图

科研人员们设计搭建了刷式密封刷丝动力学特性观测实验装置,如图2。实验装置由进气系统、密封系统和测试系统三部分组成。其中在测试系统中配备千眼狼高摄像测量系统(如图3),以观测在高压空气作用下刷丝的形变与位移


(图2)刷式密封刷丝动力学特性观测实验装


(图3)刷丝对象标记与跟踪测量软件

实验过程中高压空气经过输气管道进入密封腔室,并通过压力调节阀控制进气压力。在密封系统方面,密封腔室主要由进气腔、调整盖板和密封腔盖板组成,密封实验件及密封基座通过螺栓固定在调整盖板上。进气腔可以稳定密封间隙上游区压力及流速。进气腔、调整盖板和密封腔之间需安装弹性密封圈以防止气体泄漏。利用千眼狼高速摄像机(5F01 1280×1024@2000 fps)对密封腔室受压过程进行捕捉,并通过后期图像处理技术进行特征识别,提取刷丝,支持图像化、数据化再现刷丝动态演化的真实过程

实验结果表明刷丝在气流力的作用下产生较为明显的轴向变形,总体运动趋势为刷丝束向后挡板靠近直到挤压后挡板,前排刷丝向相邻后排刷丝靠近直到挤压末排刷丝;部分刷丝出现未同步跟随挤压后排相邻刷丝,两者之间形成较大间隙,刷丝束整体沿轴向呈现不规则排列的刷丝分层现象;部分刷丝也会出现振动现象,主要发生在刷丝密度相对松散的区域,同时刷丝产生的振动随着压比的增大而增强,刷丝振动现象强烈的区域逐渐扩大。实验与数值结果吻合良好,互相验证了结果的准确性(如4-6)


(图4) 刷丝轴向变形特性


(图5)刷丝分层现象


(图6)三种压比下的刷丝振动特性

      综上所述,刷式密封刷丝动力学特性极大的影响刷式密封的性能,刷丝动力学特性的研究具有重要意义。高速摄像机凭借超高的时空分辨率及图像传输速度,是重要的研究实验装置,在刷式密封刷丝动力学特性的研究领域具有重要的应用价值。

      千眼狼5F01高速摄像机介绍

      全幅分辨率1280x1024@2000fps, 小画幅最快可达128,000fps,具备智能帧率、分辨率动态调整功能同时具有USB 3.0接口可用快门线控制拍摄保存过程具有外同步功能, 支持多台摄像机同步拍摄可输入光电编码器信号, 在图像上叠加编码器数据

作者:沈阳航空航天大学  孙丹