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

1、近幾十年來，先進(jìn)密封技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的顯著貢獻(xiàn)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(gè)研究熱點(diǎn)。通過對(duì)指尖密封國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析可知，盡管對(duì)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(duì)某單一方面問題的解決而進(jìn)行的，因而具有一定的局限性。另外，以試驗(yàn)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(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xiàng)目的大力支持。 本文的工作是對(duì)指尖密封的一個(gè)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(yàn)研究，獲得指尖密封系統(tǒng)性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，為設(shè)計(jì)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(jī)理，根據(jù)指尖密封的實(shí)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(duì)指尖密封的遲滯泄漏性能和接觸磨損性能進(jìn)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(duì)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(diǎn)，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(diǎn)，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(duì)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(duì)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(duì)不同類別指尖密封進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)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(yàn)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(duì)指尖密封進(jìn)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(jìn)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(duì)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(duì)接觸熱阻計(jì)算模型進(jìn)行了修正，使之更加符合

6、指尖密封工況條件的要求。基于商用軟件ANSYS，以漸開線型指尖密封為例進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，獲得了不同工況條件下指尖密封的溫度場(chǎng)分布狀況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(duì)指尖密封實(shí)際受力情況，建立了指尖密封的諧迫振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型和自由振動(dòng)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性條件；根據(jù)指尖密封自由振動(dòng)方程的解，提出了基于動(dòng)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(dòng)態(tài)下的遲滯量大于靜力學(xué)分析的結(jié)果，進(jìn)一步說明了指尖密封動(dòng)態(tài)分析的必要性。本文還利用指尖密封的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)多密封片指尖密封系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)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