指尖密封結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計分析與試驗研究.pdf

1、近幾十年來，先進密封技術(shù)對航空發(fā)動機性能提高的顯著貢獻逐步得到了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者和研究單位的極大關(guān)注。指尖密封良好的封嚴(yán)性能和較低的制造成本，使之成為近年來密封技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。通過對指尖密封國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析可知，盡管對指尖密封的研究逐漸深入，但迄今仍沒有很好地解決其遲滯泄漏和接觸磨損這些棘手的問題。已開展的工作也多是針對某單一方面問題的解決而進行的，因而具有一定的局限性。另外，以試驗工作為基礎(chǔ)的研究方式也是不適合我國國情的

2、，所以，立足國內(nèi)現(xiàn)狀開展指尖密封的研究，并為進一步的實驗驗證工作提供基礎(chǔ)條件，是十分有意義的事情，這也還有很多問題需要做深入系統(tǒng)的研究。本文的研究工作正是在這種背景下提出，并得到了國家自然科學(xué)基金和航空科學(xué)基金等項目的大力支持。 本文的工作是對指尖密封的一個較為全面、系統(tǒng)的分析和研究，以理論分析為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)試驗研究，獲得指尖密封系統(tǒng)性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，為設(shè)計合理的、滿足工況要求的指尖密封結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。本文工作的主要

3、內(nèi)容和研究成果有： 1．研究了指尖密封的遲滯機理，根據(jù)指尖密封的實際工作狀況，采用粘著磨損模型描述指尖密封的接觸磨損行為。采用有限元法對指尖密封的遲滯泄漏性能和接觸磨損性能進行了分析，提出了描述指尖密封泄漏性能和磨損性能的參數(shù)一—遲滯率和綜合剛度。針對指尖密封的性能要求以及遲滯泄漏與接觸磨損性能表現(xiàn)在指尖密封結(jié)構(gòu)上相互矛盾的特點，確定了指尖密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是以低遲滯和低剛度為目標(biāo)的綜合性能優(yōu)化。 2．根據(jù)指尖密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4、具有包含形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化的特點，將指尖密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為“定制型線”優(yōu)化和“廣義型線”優(yōu)化兩大類。對定制型線指尖密封采用形狀參數(shù)和尺寸參數(shù)統(tǒng)一優(yōu)化的方法，對廣義型線采用分步優(yōu)化的方法。在滿足一定工況條件下，對不同類別指尖密封進行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，獲得了具有多目標(biāo)優(yōu)化特征的非劣解。本文分別采用加權(quán)法和約束法進行指尖密封的多目標(biāo)優(yōu)化。在加權(quán)法中，構(gòu)建了新的綜合目標(biāo)和收斂準(zhǔn)則，有效解決了目標(biāo)函數(shù)遲滯率和綜合剛度量綱差異的問題。約束法中以遲滯率

5、為主目標(biāo)，將綜合剛度轉(zhuǎn)化為約束條件，可以獲得具有一定磨損壽命要求的低遲滯密封結(jié)構(gòu)。以指尖密封試驗件結(jié)構(gòu)為例，基于ANSYS軟件內(nèi)置參數(shù)化語言APDL，用統(tǒng)一優(yōu)化法和分步優(yōu)化法對指尖密封進行了多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了具有良好綜合性能的指尖密封結(jié)構(gòu)。 3．采用有限元法進行了指尖密封系統(tǒng)的熱分析。確定了熱分析模型中轉(zhuǎn)子與指尖梁的摩擦熱、有關(guān)對流換熱系數(shù)以及指尖密封片間、轉(zhuǎn)子／指尖靴之間的接觸熱阻，并對接觸熱阻計算模型進行了修正，使之更加符合

6、指尖密封工況條件的要求?；谏逃密浖嗀NSYS，以漸開線型指尖密封為例進行了溫度場分析，獲得了不同工況條件下指尖密封的溫度場分布狀況。在此基礎(chǔ)上，進行了指尖密封的熱結(jié)構(gòu)耦合分析，表明了指尖密封熱分析的必要性，特別是高速高溫工況下的指尖密封熱分析更為重要。 4．針對指尖密封實際受力情況，建立了指尖密封的諧迫振動動力學(xué)模型和自由振動動力學(xué)模型。確定了指尖密封系統(tǒng)的等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼等系數(shù)，用解析法求解動力學(xué)方程，獲得了不同

7、工況條件下指尖梁的位移響應(yīng)。根據(jù)指尖密封諧振方程的解，提出了指尖密封與轉(zhuǎn)子運動的協(xié)調(diào)性條件；根據(jù)指尖密封自由振動方程的解，提出了基于動力學(xué)模型的指尖密封低遲滯條件和低接觸磨損條件。研究表明指尖密封在動態(tài)下的遲滯量大于靜力學(xué)分析的結(jié)果，進一步說明了指尖密封動態(tài)分析的必要性。本文還利用指尖密封的動力學(xué)模型對多密封片指尖密封系統(tǒng)進行了動態(tài)性能分析，提出通過不同層數(shù)密封片的配置來滿足不同工況匹配要求的研究思路。 5．與合作單位共同開展了