● 摘要
随着先进航空发动机对高性能指标的追求，转子系统的振动问题也越发突出，同时转静件之间封严装置在结构设计和封严效果也有了新的要求。针对以上两个问题，本论文基于动压气膜润滑原理，利用功能性结构阻尼材料金属橡胶，开创性地设计了一种具有可动弹性外环，兼具阻尼和密封两项功能的新型转子系统辅助支承阻尼结构，称为“气膜密封阻尼器（AFSD）”。论文对AFSD的工作机理、气膜的稳态特性和微扰动态特性，以及带AFSD转子系统的稳态特性和稳定性等进行了系统的理论研究，并通过试验验证了工作机理和阻尼减振效果，形成了AFSD的设计理论和分析方法。论文针对AFSD转子轴颈复杂涡动且气膜环可动的结构特点和运动特征，建立了AFSD的力学特征模型，推导了变粘度可压缩流AFSD的雷诺方程。基于AFSD的稳态运动方程和位移协调关系，建立了转子轴颈、动压气膜、气膜环和金属橡胶之间的流固耦合关系，研究了AFSD稳态气膜压力场的特性。在满足转子系统的振动位移和有效避免碰摩的前提下，确定了AFSD中金属橡胶环刚度的选取方法，通过理论分析解释了AFSD的工作机理。采用有限差分法求解AFSD的稳态和微扰雷诺方程，研究AFSD的工作参数和结构参数对AFSD稳态气膜压力场、稳态特性及微扰动态特性的影响情况。在此基础上，建立带AFSD转子系统的稳态运动方程和微扰运动方程，对比无AFSD转子系统的稳态特性，研究带AFSD转子系统的稳态特性及稳定性，并形成了AFSD设计技术。为了验证理论分析结果，本文建立了带AFSD的转子系统和试验测控系统，对无AFSD和带AFSD转子系统的动力特性进行试验研究，验证AFSD的工作机理、阻尼减振效果及密封性能，并对AFSD用金属橡胶的力学特性进行了试验研究。理论分析与试验结果一致表明：由于AFSD的金属橡胶环具有弹性和阻尼，所以设计合理的AFSD，不仅能够跟随转子的振动位移自适应地调节气膜间隙，避免转静子之间的碰摩，而且可以为转子系统提供附加刚度和有效的阻尼，抑制转子系统的振动，保证转子系统的稳定可靠运行。此外，动压气膜能够有效限制气体的泄漏，起到轴向封严作用。