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.     

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。     

周向收敛与人字槽组合型指尖密封结构与性能分析

针对流体动压型指尖密封结构和工作特点,建立了具有周向收敛靴和轴上人字槽组合结构特征的指尖密封(简称组合型指尖密封)结构形式,采用流固耦合数值分析方法,分析了不同结构和工况条件下组合型指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征,详细讨论了密封各结构参数变化对组合型指尖密封性能的影响。结果表明:在通常工况范围内,压力流对组合型指尖密封性能的影响占主导地位;楔形气膜膜厚比、楔形气膜径向最小厚度对组合型密封泄漏率影响最大;人字槽偏离高压片的距离、槽纵向间距和槽宽对组合型指尖密封的性能影响较为明显。与现有人字槽型指尖密封和周向收敛型指尖密封的性能相比,组合型指尖密封气膜承载力明显高于人字槽型指尖密封;其泄漏率与周向收敛型指尖密封相当而气膜承载力较大,具有较好的综合性能优势。     

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     

考虑粗糙渗流效应的指尖密封总泄漏性能分析

指尖密封作为近年来一种新型密封技术,其泄漏性能一直是密封领域的研究热点。将流体通过指尖片表面粗糙接触界面微观空隙的泄漏视为指尖密封的侧隙泄漏,基于压力流量因子和哈根-泊肃叶定律构建了指尖密封侧隙多孔介质结构渗透率的计算方法,进而建立了基于多孔介质结构的指尖密封侧隙泄漏性能分析数值模型;然后计入指尖密封侧隙泄漏的影响,构建了考虑指尖密封侧隙泄漏和主流道泄漏的指尖密封总泄漏分析方法;最后在此基础上分析了指尖片表面形貌参数、指尖密封工况参数对指尖密封侧隙泄漏、主流道泄漏和总泄漏的影响,研究了指尖密封侧隙泄漏和主泄漏的权重比例。结果表明:指尖密封侧隙泄漏随着指尖片表面均方根粗糙度、指尖密封上下游压差的增加而增加;当指尖片表面纹理从横向纹理向纵向纹理变化时,指尖密封侧隙泄漏亦逐渐增加;当指尖片表面均方根粗糙度较大时,指尖密封侧隙泄漏在指尖密封总泄漏中占主要地位,当转子径向位移激励较大时,指尖密封主流道泄漏占主要地位。该研究有助于完善指尖密封泄漏分析理论体系,具有较高的学术价值和工程意义。     

基于分形理论的椭圆弧型指尖密封磨损特性分析

指尖密封是一种具有广泛应用前景的新型密封技术,其中磨损特性问题属于该技术领域的研究重点。基于分形理论,考虑指尖密封表面与转子表面间的接触关系,将指尖密封与转子的接触系数引入接触点的面积分布表达式,建立了指尖密封磨损分形模型,并构建了用于表征磨损能量转化和消耗过程的指尖密封能量密度数学模型;提出了椭圆弧型指尖密封的概念与结构,并与圆弧型、渐开线型指尖密封进行性能对比。计算结果表明接触系数始终小于且逼近于1,两个曲面处处接触,相互包容,接触系数有效;磨损分形模型与经典实验数据对比验证,变化趋势及数量级一致,磨损分形模型可行;存在一个可使体积磨损率最小、能量密度最大的分形维数(D=1.3);随着特征尺寸不断减小,体积磨损率逐渐减小,能量密度逐渐增大;椭圆弧型指尖密封相较于圆弧型、渐开线型指尖密封更适用于高径向跳动量、较高压差和较高转速的密封部位。     

碳/碳复合材料旋转指尖密封性能分析

指尖密封是近年来研究较为广泛的一种密封形式,涉及的指尖密封多与静止部件连接而呈静止状（静止指尖密封）,理论与试验研究围绕着密封泄漏和磨损性能改善而开展。提出旋转指尖密封的概念和结构,并利用碳/碳复合材料的良好自润滑性能,探索这一指尖密封新结构对泄漏性能改善的可能及机理。通过"外伸式"和"内伸式"旋转指尖密封有限元性能分析模型,分析了结构、工况以及材料参数等对两种旋转指尖密封性能的影响规律,与静止指尖密封密封性能的对比表明,外伸式旋转指尖密封具有在较高转速或跳动量下仍能维持平稳低泄漏率的特质,而内伸式旋转指尖密封的泄漏率却随着转速增大而增大,因而前者对于高速工况下的航空发动机转子密封更具应用潜质。并探索了旋转指尖密封在轴间密封工程应用的可行性,有助于航空发动机轴间密封新构型设计思路开拓、以及密封结构和性能设计的技术选择。     

指尖密封流动与变形三维双向耦合分析

针对指尖密封提出泄漏流动和固体变形的三维双向耦合计算方法。该方法采用多孔介质模型计算密封片组泄漏流场,将流场计算得到的压力分布加载到有限元模型上进行密封的固体变形计算,再根据变形计算结果更新多孔介质模型参数,重新计算泄漏流动;如此重复,直至泄漏流动和固体变形计算均达到收敛。采用该计算方法,对不同压差下指尖密封的泄漏流动与固体变形进行计算。计算结果表明：流动与变形的耦合计算经过3次迭代达到收敛;指尖密封结构的压降、泄漏及变形主要发生在指尖靴区域,密封片组的最大变形主要取决于径向变形;当上下游压差从0.1 MPa增大至0.5 MPa,密封片的最大径向变形增大约2%,最大轴向变形增大约400%,泄漏量增大约130%。     

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.     

指尖密封静动态特性试验研究

模拟航空发动机真实工况,对指尖密封静动态性能进行了试验研究并与标准型刷式密封进行比较,研究压比、转速、温度对指尖密封泄漏特性的影响规律。试验结果表明:指尖密封具有优异的密封性能;随着压比的增大,指尖密封泄漏参数先增大后趋于定值;在试验转速范围内,随着转速的增加,泄漏参数降低;随着温度的升高,泄漏参数减小;指尖密封相比于标准型刷式密封,静态泄漏参数降低8%~41%,动态泄漏参数降低约18%。