倾斜椭圆微孔端面气膜密封高速热动力润滑特性研究

发布时间：2020-04-28 17:57

【摘要】：倾斜椭圆微孔气膜端面密封依靠微孔动压效应形成足够开启力,实现密封端面的非接触稳定运行。伴随操作工况不断向高速条件发展,气体热效应、密封环热变形以及复杂端面几何形貌如粗糙度、纹理织构的共同作用导致密封热动力润滑问题渐趋突出。因此,为进一步掌握气膜温度分布规律与密封端面变形情况,论文开展了倾斜椭圆微孔端面气膜密封高速热动力润滑特性研究。首先,针对微观表面粗糙形貌特征,基于流体润滑理论,建立粗糙表面动压润滑理论分析模型。采用典型的粗糙表面形貌特征参数,包括粗糙峰高度均方根偏差σ、轮廓峰曲率半径β_r、轮廓峰密度η、粗糙峰椭圆倾斜角θ_r和粗糙峰椭圆长短半径比γ_r,数学描述高斯分布方向性粗糙度的分布特征,并推导粗糙度随机分布所引起的动压承载力计算方法。随后通过计算滑块粗糙表面承载力变化规律,与Patir-Cheng模型理论结果比较,总体差异控制在10%以内,证实了模型的可靠性。其次,初步展开表面深槽结构节流效应的静压实验研究,并分析进口压力损失对深槽流量特性的影响。重点进行了槽型结构和供气压力对平板深槽表面节流效应影响性分析,与光滑结构进行对比,探讨了深槽结构节流机理,实验结果表明:随槽深的增加,深槽纹理节流效应先增后减,在孔深h_d=0.5 mm附近时,达到最大值,流量相对减少率可达65%,随后逐渐趋于稳定,在h_d=0.5~2 mm取值范围内,深槽呈现明显的节流效应。此外,随润滑间隙与供气压力的增加,进口压力损失逐渐增大,最后维持不变。再次,基于粗糙表面动压润滑理论模型,考虑进口压力损失与出口阻塞流效应,以静压端面密封与椭圆微孔端面密封为研究对象,分析等温润滑条件下粗糙度效应对气膜端面密封动压特性的影响。分析结果表明:端面粗糙度提升密封气膜开启力,同时降低泄漏率,当膜厚比λ3时,粗糙表面动压效应较为明显,润滑分析时不应被忽略,但总体对密封性能的影响不超过1%。进口压力损失减小进口压力值,而阻塞流增大出口压力值,二者共同作用减小端面开启力与泄漏率,对密封性能影响较为明显。然后,基于气体热动力润滑理论,建立倾斜椭圆微孔气膜端面密封动载热润滑理论模型。重点进行了气膜端面密封的稳态特性如压力分布、温度分布、端面开启力、密封泄漏率等,以及动态特性如动态场分布、阻尼特性、刚度特性等,随密封操作参数和结构参数的变化规律分析,数值分析结果表明:气体膨胀作用导致气膜温度下降,温度场与压力场耦合作用产生复杂发散变形,削弱倾斜微孔的动压效应,端面开启力下降50%左右;动环的轴向窜动与角向摆动产生附加压力与温度分布,动态特征参数在低频工况下变化不明显,但随扰动频率增加到某一特性值后迅速变化。最后,初步开展了椭圆微孔气膜端面密封高速实验研究,主要分析了密封环温度分布、密封泄漏率变化以及试件磨损情况。实验结果表明:密封静环温度随运转时间的延长会逐渐增加,尤其在最初运转的10 min内,温度变化较为明显,之后增加趋势趋于平缓。随运转时间的增加,密封泄漏率呈现下降趋势,并最终趋于稳定,且密封动环与静环的高压侧发生明显的磨损,证明沿气流方向即从高压侧到低压侧,气膜温度逐渐降低,密封端面形成发散间隙分布。论文对倾斜椭圆微孔端面气膜密封高速热动力润滑特性进行了研究,获得表面几何形貌、气体热效应以及端面变形对密封特性影响规律和作用机理,为密封气膜温度与变形控制提供了理论基础,同时也为端面孔型设计与应用提供参考,具有重要的工程意义。
【图文】：

温度场分布,在航,密封结构,发动机

切需要强化发动机密封装置的密封性能，以防止轴承腔内润滑油温燃气入侵密封腔。气膜端面密封因其非接触、低磨耗、长寿命用于发动机高界面滑速(>400m·s-1)、高密封压差(>0.5MPa)和极端工况，并逐渐在主轴承箱、涡轮入口、叶尖间隙等关键位置封和刷式密封等传统密封形式，如图 1-1 所示。面密封是在摩擦副表面加工周期性分布的微米深度纹理织构，如、椭圆孔等，依靠其产生的流体动压效应形成足够开启力，在密 μm 厚度的稳定气膜，实现密封端面的非接触运行。但是伴随操发展，尤其对于航空发动机高速工作环境，周向剪切流与径向压膜温度发生明显变化，在热交换条件下，诱发密封环端面产生显擦副的接触摩擦磨损。此外，端面纹理槽型会进一步增加气膜温杂性，影响密封性能的预测与分析。因此迫切需要解决气膜端面，以便精确掌握气膜温度场分布及端面热变形规律，提供更高要封性能。

端面密封,气膜,微孔,椭圆

第 1 章绪论情况、端面热弹变形规律、密封稳态与动润滑理论，为密封端面设计提供参考，具封工作原理改变密封间隙流体流动规律，影响气膜物槽的设计是保证选定工况下密封满足性能封端面型槽结构，，椭圆微孔在保留圆形微，同时可以有效地减小摩擦转矩、控制端封为研究对象，进行相关的润滑特性分析的动压开启性能，白少先等[10,11]提出动压向与密封环旋转方向存在一定的夹角，以加此基础上，为进一步减少密封泄漏，推出2]。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH136

【参考文献】