密封性能的改善可有效提升航空发动机的增压比、涡轮效率以及系统稳定性。柔性支承柱面气膜密封作为一种新型密封结构,能更好的适应转子涡动,并在热力变形时保持一定的气膜润滑。柱面气膜密封在高转速、高压差、高温工况下作业时,支承结构产生的复杂变形是影响柱面气膜稳定性的关键,目前针对柔性支承结构的变形问题缺乏系统性研究,“三高”因素及材质对支承结构微观变形的影响及气膜形状的形成机理尚不明确,因此难以建立精确的支承结构定量分析模型。因此,深入系统地研究柔性支承柱面气膜密封支承结构参数与微间隙流场力学特性和密封性能之间的规律,不仅对支承结构定量设计理论的建立具有重要意义,而且对柱面气膜密封的实际工程应用具有重要指导作用。为了研究柔性支承柱面气膜密封微间隙流场介质流动机理,精准选取支承结构参数,实现柔性支承结构的定量设计,本文首先对微间隙中的气膜压力分布进行了研究,探讨了动压槽微观结构对流场特性的影响;接着分别运用气膜密封物理试验和数值模拟的方法对密封特性进行了研究与对比,优化并验证了仿真模型的准确性和有效性;然后采用流-固耦合分析方法研究了结构参数对支承变形的交互影响,构造了支承结构参数的回归模型;最后研究了流-热-固耦合工况下的支承热力耦合变形规律以及结构参数对密封稳定性的影响,为支承结构定量设计理论的完善提供了一定的基础。具体研究内容如下:1.在分析柔性支承柱面气膜密封微间隙流场介质流动原理的基础上,计算并判定了柔性支承微间隙介质流态,建立了柱面气膜密封微尺度气体模型,推导了带有圆进动的环形圆隙流场动态雷诺方程和密封气膜厚度的数学模型,为柱面气膜密封流场力学特性的深入分析提供了理论依据。2.利用柱面气膜高速转子平台,通过对恒压增速物理试验和数值仿真结果的对比分析,优化与验证了仿真模型。运用跨尺度气膜网格模型对不同槽型的流场特性及密封性能进行了分析,对比不同槽型力学特性和密封性能。研究表明,微间隙是产生流体动压效应的基本条件,而高转速、高压差和大偏心率对提高流体动压效应,增强气膜稳定性具有明显作用,但同时会引起泄漏量的增加;单一直通道流槽,更易提高流体动压效应、气膜承载力和气体稳定性,并降低泄漏量。3.根据支承结构参数优化目标,基于密封环变形理论,利用流-固耦合分析方法,研究了结构参数对支承变形的交互影响,得出了不同结构参数对支承变形的影响规律以及不同变形要求对应的参数取值范围;开展支承结构参数正交试验进行多因素多目标优化分析,得到了优化目标所对应的综合最优值及因素主次关系,并对数值仿真和物理试验结果进行了对比分析,研究表明,优化后的参数组合数值结果和物理试验结果基本吻合,不同优化目标下的支承结构参数对密封性能的改善作用不同。采用多元非线性回归分析方法,根据正交试验得到的支承变形影响因素及权重,构造了基于流固耦合柔性支承柱面气膜密封稳态运行下的支承结构参数的回归模型,为精确选择柔性支承的最优结构参数,提供了理论依据和计算方法。4.基于流-热-固多场耦合分析方法,研究了工况条件对支承变形的影响,根据气体泄漏特性和气膜稳定性对密封形状的要求,分析了不同轴向路径下的浮环和波箔的变形对气膜形状的形成规律,并研究了不同材质时的柔性支承的受力和变形。研究表明,在一定的转速和压差条件下,浮环和波箔的热变形和弹性变形具有相互抑制作用,而且热变形是引起浮环热弹变形的主要因素,浮环和波箔在不同路径上的形状变形能有效提高气膜稳定性和降低气体泄漏量。本文结合微间隙流场介质流动理论、试验测试技术、流-热-固耦合仿真分析方法和参数优化理论,对柔性支承柱面气膜密封稳态运行中的支承结构的变形规律和结构参数对流场特性和密封性能的影响进行了系统分析,为支承结构参数的精准选取及定量设计提供了依据。