Analysis of shear heating and effect of temperature dependant viscosity on hydrodynamic lift of oil brush seals

Abstract

Yüksek performansları ve kararlı akış karakteristikleri sebebiyle fırça keçeler,uçak motorlarında ve türbinlerde yağ ve yağ buharı sızdırmazlığında kulanılan dinamiksızdırmazlık elemanı türlerinden biridir. Yağ sızdırmazlığı uygulamalarında yüksekhızlı rotor yüzeyi ile fırça keçe telleri arasındaki viskoz ortam hidrodinamik kaldırmakuvveti oluşturur ve bu kuvvet fırça keçe ile rotor arasındaki mesafeyi, dolayısıyla yağakış hızını belirler. Hidrodinamik kaldırma kuvvetinin analitik çözümü Reynoldsformülasyonu kullanılarak yapılabilir. Kısa yatak kabulü yapılarak kaldırma kuvvetiiçin analitik çözüm daha önce elde edilmiştir; ancak hidrodinamik kaldırma kuvvetifonksiyonu yağ sıcaklığına ve viskoziteye bağlıdır. Bu çalışma viskoz ısı kaybındanötürü yağ sıcaklığı artışı için analitik çözüm sunmaktadır. Süreklilik ve Navier Stokesdenklemlerinden başlanmış; termal enerji denklemi çözülerek sıcaklık dağılımıtüretilmiştir. Hidrodinamik kaldırma kuvveti bağıntısı, rotor hızıyla ve hidrodinamikkaldırma yüksekliğiyle değişen yağ sıcaklığı etkisini içerecek şekilde genişletilmiştir.Sonuçlar dinamik yağ sızdırmazlık test düzeneğinden elde edilen deneysel verilerlekarşılaştırılmıştır. Sıcaklık dağılımının yanı sıra, fırça keçe için basınç dağılımı üç ayrıyol izlenerek türetilmiştir. Basınç dağılımı için bulunan çözümlerin birbirleriyle vegerçek uygulamalarla tutarlı olduğu görülmüştür. Fırça keçelerin sızdırmazlıkperformansının belirlenmesinde en önemli parametre olan hidrodinamik kaldırmayüksekliği, vizkos ısı kaybının etkisini de içerecek şekilde teorik olarak türetilmiş vedeneysel verilerle karşılaştırılmıştır.v

Due to their superior performance and stable leakage characteristics, brush sealsare one of the dynamic seals used in oil and oil mist applications in aero-engines andturbines. The viscous medium between the high speed rotor surface and brush sealbristles generates a hydrodynamic lifting force that determines seal clearance andleakage rate in oil sealing applications. The analytical solution to bristle lifting force canbe found by using Reynolds formulation. Following a short bearing approximation, aclosed form solution of the lifting force has been previously presented. However,solution to hydrodynamic lift force suggests a strong dependence on oil temperature andviscosity. This work presents an analytical solution to oil temperature rise due to shearheating. Starting with continuity and Navier Stokes equations, temperature distributionis derived by solving thermal energy equation. The hydrodynamic lift force relation hasbeen expanded to include oil temperature variability due to rotor speed and liftclearance. Results are also compared with the experimental data obtained from thedynamic oil seal test rig. In addition to temperature analysis, pressure distribution forthe brush seal is also derived by tracking three different ways, all of which givesconsistent results with each other and real life applications. Derivation of shear heateffect included lift clearance, which is the most important parameter for leakageperformance of brush seals, is also done and compared with experimental lift clearancedata.iv