考虑角向偏摆圆周密封特性分析

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随着航空发动机技术的不断更新与发展,主轴承腔圆周密封的工作条件越来越苛刻,圆周密封材料和结构要求具有高界面滑速和高温下的工作能力,在满足密封性能要求的同时需要具有密封跑道带来的大幅度的径向跳动和角向偏摆的适应能力。本文以考虑角向偏摆圆周密封装置为研究对象,利用有限元分析方法,基于在役圆周密封结构和齿轮驱动涡轮风扇发动机圆周密封性能要求,对圆周密封在不同偏摆角度条件下完成了结构分析及热-结构耦合分析,考虑角向偏摆、径向跳动及二者综合作用的圆周密封随动特性分析及泄漏量求解。主要研究内容有:(1)在考虑角向偏摆的条件下,完成了圆周密封的受力分析,并给出了存在角向偏摆的相关计算公式,主要包括:圆周密封的受力分析模型建立与分析、径向接触负荷和轴向接触负荷,以及主、辅助密封面的摩擦生热量的求解。根据圆周密封的实际工况要求,以密封环周向方向中线为基准线,密封环的中心线与基准线之间偏摆一个角度,从而建立了存在角向偏摆的圆周密封结构三维分析模型。(2)通过有限元分析方法,针对不同偏摆角度条件下的圆周密封建立了有限元分析模型,进行了结构分析及热-结构耦合分析,确定了圆周密封主、辅助密封面的应力场和变形场的分布。给出了主、辅助密封面应力和变形随偏摆角度的变化规律。研究表明热-结构耦合分析中主、辅助密封面的最大应力与最大变形结果均要高于结构分析中的结果,最大应力在主、辅助密封面上出现的位置也发生了改变,进一步表明了温度对圆周密封有显著影响,进行圆周密封的热-结构耦合分析的必要性。(3)基于圆周密封工作中径向跳动及角向偏摆的工况要求,建立了圆周密封动力学分析模型,采用位移激励的形式,开展了考虑径向跳动、角向偏摆以及两者综合作用时,圆周密封环的动态响应研究。在主、辅助密封面沿周向方向分别均匀选取九个节点,获得了主、辅助密封面节点在不同径向跳动量,不同偏摆角度下的节点位移响应,并与密封跑道、密封座端面的对应位置节点的径向位移与轴向位移进行比较分析,分析得到了主、辅助密封面各个位置的随动特性不同,近中央区域的相对更好,角向偏摆对主密封面的随动特性影响更大,径向跳动对辅助密封面的随动特性影响更大,获得了圆周密封主、辅助密封面在不同偏摆角度、径向跳动量及两者综合作用条件下的随动特性变化规律。(4)结合动态响应分析得到的圆周密封随动特性分析结果,对一个运动周期内,各周期子步的主、辅助密封面九个节点的位移差采用求和平均方式,求解分析得到了存在角向偏摆、径向跳动及两者综合作用时各个周期子步的圆周密封主、辅助密封面的泄漏间隙及其在一个运动周期内的变化规律。分析给出了圆周密封间隙泄漏量求解方法,得到了角向偏摆对主密封面泄漏量影响更高,径向跳动对辅助密封面的泄漏量影响更高,以及泄漏量随径向跳动量、偏摆角度的变化规律。本文的研究成果为航空发动机圆周密封性能的提升和设计改进提供了很好的研究基础。
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