整体式气膜浮环密封的开启性能与泄漏特性研究
整体式气膜浮环密封具有安全、稳定、抗扰动能力强等优势，现已成为航空发动机主轴承腔最主要的密封形式，但在实际应用中容易因设计不当或超出工作范围导致密封不能开启或者泄漏率较大出现密封失效、密封效果不理想等问题。本文对整体式气膜浮环密封系统的流场、不同开车顺序下的开启性能以及全工况下的泄漏特性展开理论研究并总结浮环密封的设计方法、编制浮环密封性能分析软件、进行原理性试验。 采用Ansys-fluent建立含前后置流道的浮环流场的有限元模型，得到可压缩流体进行间隙流动时的压力场、密度场、速度场等分布规律，揭示进口效应较为明显但几乎无出口效应。通过改变不同的密封参数得到对应条件下浮环进口处的压力损失率、压力损失系数以及入口截面流速变化规律，研究得出压力损失率与节流长度、半径间隙、偏心率等参数的有关而与操作转速、轴径等无关。建立了航空发动机浮环密封入口压力损失数据库，为理论研究及工程应用提供了极大的便捷。 通过对浮环受力分析以及采用Workbench建立密封组件静力学模型，得到浮环在高温、高速以及过盈镶装条件下最大开启阻力及工作间隙的计算方法，并由此建立考虑压力损失的气膜浮环开启转速有限元计算模型，总结出浮环开启性能计算流程。研究发现不同开车顺序下各密封参数对气膜浮环开启性能的影响呈现很大的差异性，先增速后增压时开启转速与载荷系数、波簧弹力、压差正相关而与节流长度和径向间隙负相关;先增压后增速时开启转速与波簧弹力正相关，与节流长度、工作温度负相关，与载荷系数、径向间隙几乎不相关，先增速后增压时的开启性能更优。工程设计时应充分考虑浮环能否开启，若有条件开车前应先进行开启性能的比较再选择操作条件施加的顺序。 通过有限元分析结合数值公式的方法提出浮环密封主次密封通道的泄漏率计算方法，研究了各密封参数对两泄漏通道不同状态的泄漏率以及刚漏比的影响并给出了各密封参数的工程推荐值。研究结果表明密封系统从开始开车至稳态是一个泄漏率逐步降低气膜稳定性逐渐升高的过程，另外控制密封系统泄漏率最好的方式是控制节流长度与密封间隙。总结出整体式气膜浮环密封的常规设计方法与设计流程，编制了浮环密封工作间隙、开启阻力、偏心率与泄漏率分析计算软件。 采用浮环密封当量摩擦系数测量装置，测量了石墨环侧壁与腔体侧壁的当量摩擦系数。搭建浮环密封开启转速与泄漏率试验台，分别测量了不同密封参数下浮环的开启转速与泄漏率并与理论计算值进行对比，验证了浮环开启转速与泄漏率理论计算模型的正确性。 通过对整体式气膜浮环密封的流场、开启性能与泄漏特性的研究，明确了浮环密封的机理，验证了浮环密封的优势。总结浮环密封设计方法，编制浮环密封分析软件为航空发动机浮环密封的工程设计与结构优化提供了极大的支持并节省了一定时间成本。
航空发动机;主轴承腔;整体式气膜浮环密封;开启性能;泄漏特性
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
王庆锋;李双喜
2020
中文
V263
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）