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指尖密封结构和性能的设计分析与试验研究

苏华  
【摘要】: 近几十年来,先进密封技术对航空发动机性能提高的显著贡献逐步得到了国内外相关领域学者和研究单位的极大关注。指尖密封良好的封严性能和较低的制造成本,使之成为近年来密封技术领域的一个研究热点。通过对指尖密封国内外研究现状的分析可知,尽管对指尖密封的研究逐渐深入,但迄今仍没有很好地解决其迟滞泄漏和接触磨损这些棘手的问题。已开展的工作也多是针对某单一方面问题的解决而进行的,因而具有一定的局限性。另外,以试验工作为基础的研究方式也是不适合我国国情的,所以,立足国内现状开展指尖密封的研究,并为进一步的实验验证工作提供基础条件,是十分有意义的事情,这也还有很多问题需要做深入系统的研究。本文的研究工作正是在这种背景下提出,并得到了国家自然科学基金和航空科学基金等项目的大力支持。 本文的工作是对指尖密封的一个较为全面、系统的分析和研究,以理论分析为基础,结合相关试验研究,获得指尖密封系统性能分析和结构设计的方法,为设计合理的、满足工况要求的指尖密封结构提供理论依据。本文工作的主要内容和研究成果有: 1.研究了指尖密封的迟滞机理,根据指尖密封的实际工作状况,采用粘着磨损模型描述指尖密封的接触磨损行为。采用有限元法对指尖密封的迟滞泄漏性能和接触磨损性能进行了分析,提出了描述指尖密封泄漏性能和磨损性能的参数——迟滞率和综合刚度。针对指尖密封的性能要求以及迟滞泄漏与接触磨损性能表现在指尖密封结构上相互矛盾的特点,确定了指尖密封的结构优化是以低迟滞和低刚度为目标的综合性能优化。 2.根据指尖密封的结构优化具有包含形状优化和尺寸优化的特点,将指尖密封结构优化分为“定制型线”优化和“广义型线”优化两大类。对定制型线指尖密封采用形状参数和尺寸参数统一优化的方法,对广义型线采用分步优化的方法。在满足一定工况条件下,对不同类别指尖密封进行了多目标优化设计,获得了具有多目标优化特征的非劣解。本文分别采用加权法和约束法进行指尖密封的多目标优化。在加权法中,构建了新的综合目标和收敛准则,有效解决了目标函数迟滞率和综合刚度量纲差异的问题。约束法中以迟滞率为主目标,将综合刚度转化为约束条件,可以获得具有一定磨损寿命要求的低迟滞密封结构。以指尖密封试验件结构为例,基于ANSYS软件内置参数化语言APDL,用统一优化法和分步优化法对指尖密封进行了多目标优化,获得了具有良好综合性能的指尖密封结构。 3.采用有限元法进行了指尖密封系统的热分析。确定了热分析模型中转子与指尖梁的摩擦热、有关对流换热系数以及指尖密封片间、转子/指尖靴之间的接触热阻,并对接触热阻计算模型进行了修正,使之更加符合指尖密封工况条件的要求。基于商用软件ANSYS,以渐开线型指尖密封为例进行了温度场分析,获得了不同工况条件下指尖密封的温度场分布状况。在此基础上,进行了指尖密封的热结构耦合分析,表明了指尖密封热分析的必要性,特别是高速高温工况下的指尖密封热分析更为重要。 4.针对指尖密封实际受力情况,建立了指尖密封的谐迫振动动力学模型和自由振动动力学模型。确定了指尖密封系统的等效质量、等效刚度和等效阻尼等系数,用解析法求解动力学方程,获得了不同工况条件下指尖梁的位移响应。根据指尖密封谐振方程的解,提出了指尖密封与转子运动的协调性条件;根据指尖密封自由振动方程的解,提出了基于动力学模型的指尖密封低迟滞条件和低接触磨损条件。研究表明指尖密封在动态下的迟滞量大于静力学分析的结果,进一步说明了指尖密封动态分析的必要性。本文还利用指尖密封的动力学模型对多密封片指尖密封系统进行了动态性能分析,提出通过不同层数密封片的配置来满足不同工况匹配要求的研究思路。 5.与合作单位共同开展了指尖密封的有关性能试验,进行了常温下渐开线型指尖密封的迟滞泄漏试验、工况参数影响试验和磨损性能试验。最大试验压差为0.5MPa,最大试验转速为13150rpm。试验证明指尖密封的迟滞性对其泄漏有较大影响。对两种不同结构的指尖密封进行了泄漏试验比较,结果显示指尖密封的刚度越小则泄漏量越大。通过磨损试验结果与理论计算结果的比较,进一步确定了指尖密封磨损系数的取值范围。以上试验结果进一步验证了本文相关理论分析的正确性和必要性。


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