基于迟滞性能优化的指尖密封型线设计

采用优化理论以迟滞程度最小为目标,对指尖曲梁型线进行了优化,获得了相应的优化型线,在此基础上采用有限元技术对优化型线的指尖密封迟滞性能进行了分析,并与对数螺线型线指尖密封进行了比较。研究表明,较之对数螺线型线,优化型线指尖密封的迟滞性能获得了很大的改善。     

指尖密封的迟滞特性分析

分析了三种不同型线的指尖密封结构在不同压差条件下的迟滞特性,发现了采用径向刚度较高的结构可以降低指尖密封迟滞作用,以及选择合适的指尖型线可以获得低径向刚度和低迟滞作用的指尖密封结构的现象。作为低迟滞指尖密封进一步研究的基础,对数螺线I型指尖密封是一个较理想的原始型指尖密封结构的选择。     

低迟滞渐开线型指尖密封的结构参数优化

以渐开线型指尖密封为例 ,建立了以低迟滞率为目标的优化模型 ;并基于ANSYS软件平台 ,进行了指尖密封结构参数优化分析 ,获得了某工况条件下具有低迟滞率的指尖密封结构参数。所提出的分析方法和结果为指尖密封装置的进一步优化设计奠定了基础     

指尖密封迟滞特性的当量优化研究

从指尖密封装置的工作原理出发,将指尖密封迟滞性能优化问题转化为一个能够进行数学处理的简单当量模型的优化问题.通过建立当量模型中各等效参数和实际指尖密封结构参数之间的映射关系,构建了指尖密封迟滞性能优化的质量-弹簧-阻尼当量模型.以此当量模型为研究对象,实现了以指尖密封迟滞率最小为优化目标进行指尖密封结构参数的优化计算,解决了指尖密封装置迟滞性能优化的不可控问题.有限元仿真计算实例支持了这一当量优化模型.所提出的分析方法为指尖密封性能的进一步优化设计提供了一定理论参考依据.     

具有一般型线的指尖密封性能优化设计

提出基于曲线弧函数s的曲线切向角θ的多项式方程,来表示满足指尖梁成形要求的任意可能的凸、凹型线。利用Taylor级数获得一般型线的通用表达式和特征参数,建立了以低泄漏率和低磨损率为目标的优化模型,从而实现指尖梁形状优化与其他几何结构尺寸的同步优化。优化算例结果表明:经双目标优化设计可以获得综合性能良好的一般型线指尖密封结构形式;与现有圆弧型线和渐开线型线指尖密封优化结果相比,一般上凸型线指尖密封综合性能与圆弧型线和渐开线型线指尖密封相当,一般上凹型线指尖密封在满足低泄漏性能上具有明显优势。     

2.5维编织C-C复合材料圆弧型线指尖密封多目标优化设计

根据指尖密封的使用条件,通过圆弧型线指尖密封结构参数之间的几何关系分析,建立了一种适用于圆弧型线指尖密封优化设计的密封分析模型,确定了其主要设计参数.以密封泄漏率和指尖靴/转子间接触压力为目标,建立了2.5维编织C-C复合材料圆弧型线指尖密封优化设计数学模型.基于ANSYS软件开展了C-C复合材料圆弧型线指尖密封多目标优化设计,优化算例结果表明,经过结构优化能够显著提高指尖密封的综合性能.一组相同结构和工况条件下的C-C复合材料和金属材料圆弧型线指尖密封性能比较结果显示,选择C-C复合材料可以在一定程度上有效提高密封的综合性能,从而为指尖密封的设计提供了一种新的选择.     

基于多工况要求的低迟滞指尖密封结构优化

针对目前指尖密封优化设计中存在的工况局限性问题,根据指尖密封的实际工作要求确定了相应的工况条件;以低迟滞率为优化目标,分别对不同工况条件下的指尖密封进行了结构参数优化分析;通过综合分析其优化计算结果发现,可将转子的跳动量进行分组,并找到适宜于该组范围内的指尖密封优化新结构。经实例验证表明,这种新结构参数的指尖密封与各单一工况下的指尖密封优化结果十分接近,从而满足了指尖密封多工况条件下的低迟滞结构优化要求。     

基于ANSYS的指尖密封结构综合性能优化

针对指尖密封低迟滞、低刚度这一对相互矛盾的目标要求,通过ANSYS软件计算出指尖密封的迟滞率和刚度,依据单目标优化迭代过程中刚度和迟滞率的变化趋势,找到指尖密封综合性能优化的非劣解,并依据工况性能要求确定最终优化解.实例计算说明这是一种获得指尖密封综合性能优化结果的有效途径.     

单元组合型指尖密封的综合性能研究

为获得综合性能较优的指尖密封结构，提出基于单元组合形式的指尖密封综合性能寻优方法，以低迟滞和低刚度的单目标优化结果分别形成密封单元结构，并以此为基础进行单元组合，得到组合式的指尖密封装置。计算了两种组合方式的指尖密封的迟滞率和刚度，并与单目标优化结构密封的相关性能进行了比较，结果表明，组合式密封的综合性能较单目标优化密封结构理想，说明这种单元组合思路是获得指尖密封迟滞和接触性能均优的可行途径。     

指尖密封性能与结构特征的灰关联熵分析

采用均匀设计安排各结构特征对指尖密封迟滞和磨损性能影响的有限元仿真试验方案，通过有限元计算获得了结构特征参数和指尖密封迟滞率及接触压力等指尖密封性能的关系，运用肤关联熵技术分析了各结构特征对迟滞和磨损性能影响的主次关系和影响程度。结果表明：从本文给出的较宽的结构参数范围来看，轴向厚度组合情况对迟滞率的影响较大，型线类型对迟滞率的影响较小；指尖个数对接触压力的影响较大，型线类型对接触压力的影响较小。算例的计算结果证明了本文分析方法的正确性。     

指尖密封型线形成的研究

针对指尖密封型线生成问题 ,对渐开线型指尖密封型线的几种形成方式进行了分析和研究 ,并初步比较了其刚度的变化。研究结果表明用旋转变换坐标方式获得的渐开线指尖密封型线可作为下一步指尖密封性能分析及优化设计的初型。     

指尖密封结构参数与泄漏量和磨损性能的灰关联分析

采用二次旋转正交试验获得指尖密封结构特征参数对指尖密封泄漏和磨损性能影响的仿真试验组合方案,并通过ANSYS软件对与每个试验方案对应的指尖密封结构进行有限元分析,从而得到每个试验方案中与指尖密封结构特征参数对应的泄漏量和磨损性能,在此基础上应用灰色关联技术分析各结构特征参数对指尖密封泄漏量和磨损性能影响的主次关系和影响程度.结果表明,渐开线指尖梁型线的基圆半径对磨损性能影响最大,其次是指尖靴周向宽度角.而指尖靴周向宽度角对指尖密封泄漏量的影响最大,基圆半径次之,前后指尖片厚度对磨损性能和泄漏量的影响相对较小.最后通过和有限元计算结果的对比分析验证了灰色关联分析结果的合理性,从而为指尖密封优化技术研究提供了参考.     

Dynamic Behavior Analysis of Finger Seal Based on Equivalent Dynamic Model

Finger seal is a new technology developed for gas path sealing in gas turbine engine.It has been paid attention to its good sealing performance and lower manufacture cost.The vibration behavior of finger seal is not be considered in performance analysis for the contact finger seal with compliant geometric configuration,then this will influence the reliability of the performance analysis and the parametric design of a finger seal.According to the dynamic character of finger seal,the harmonic vibration and free vibration models of a repetitive section of a two-layer finger seal that contains one high and one low finger seal are established separately.The dynamic behavior of finger seal in different working conditions is obtained based on the dynamic response analysis of finger's vibrations.The dynamic low hysteresis and low wear terms based on the equivalent dynamic model of finger seal are put forward,which can be used to predict the dynamic behavior of finger seal.As an example,the dynamic behaviors of an 8-layer finger seal and a 10-layer finger seal were predicted,and the validity of the prediction was demonstrated by the leakage test results of these two finger seals.The work presented here not only could make the dynamic analysis of finger seal with complicated structure simple and easy especially for multi-layer finger seal system,but also suggest a useful method for designing the finger seal with good dynamic behavior by means of different seal layers assembly.