● 摘要
航空发动机关键部位流体动密封对整机工作性能提高影响显著，密封在高界面滑速、高环境温度和高边界压差下又经受动态振动和热、力变形，使得密封工作环境恶劣，设计难度大。气膜密封因优越的密封特性和长寿命、低维护性特点在航空发动机转子系统中应用优势明显，柱面气膜密封又因结构适应性强在近年备受关注，目前国内研究非常欠缺。本论文探索研究柱面气膜密封的结构型式和设计分析理论，对其结构型式特点、准动态设计分析、动特性系数计算、稳定性分析等方面，进行了深入系统的研究。基于对航空发动机上有关气膜密封研究进展及特点的分析研究，提出了柔性支承浮环柱面气膜密封系统结构基本型式，其特点为具有自适应性和易于定量分析，能够实现支承结构柔性高于气膜且支承柔性和气膜刚性的匹配设计。基于对航空发动机转子密封系统机动状态非稳态振动和热力变形的当量圆进动假设，提出了柱面气膜密封准动态(一种稳态)计算设计分析方法。核心内容包括：建立系统准动态的气膜压力和密封特性的数值分析计算模型；采用有限元法进行密封气膜力学特性和系统密封特性的数值仿真计算。确定了柱面气膜的准动态(稳态)压力分布，实现了密封气膜的开启力、气膜刚度、密封泄漏、密封摩擦转矩等密封气膜特性的定量预计；得到了反转轴间柱面气膜密封的主要密封特性变化曲线和定量设计指导结论。数值仿真计算分析方法适应性强，可拓展到不同密封界面结构；所提出的当量圆进动准动态设计分析方法为柱面气膜密封系统设计提供了理论基础。建立了密封气膜动态特性系数计算的分析模型；基于有限元方法，完成了柱面密封气膜动态特性系数的数值仿真计算。研究给出的膜厚和扰动频率对气膜动特性系数的影响的计算结果，在当前有关的密封气膜研究中少见。对柱面气膜密封产生自激振动的机理进行研究，柱面气膜自振包括径向“气锤自振”和“半频涡动自振”两种因素，激励能量较强，对转子系统稳定性影响较大。借鉴径向气体轴承分析方法，建立了通过数值仿真计算进行柱面密封气膜自振稳定性分析判别的方法。对光滑柱面与螺旋槽柱面结构的柱面密封气膜稳定性进行计算分析比较，计算结果为工程应用中提高系统稳定性的方法提供了理论基础。在柱面气膜密封自振稳定性及其所需要的气膜动态特性计算分析中，考虑了不同的柱面结构形式，联立求解了表述密封气膜两自由度动态特性系数的微扰雷诺方程与气膜微扰运动特征方程，并进行数值迭代。这类数值研究在柱面气膜密封当今的研究中被关注却未给予合理的解决，可以认为本文所提供的分析及数值计算方法具有当前密封气膜研究的先进水平。此外，基于悬臂弹支柔性支承的基本结构形式，建立了柔性支承与气膜反力的平衡方程，柔性支承的受力与变形模型，并给出了计算流程。