我国两机重大专项的实施,对燃气轮机的研发提出了更高的要求,刷式密封性能优越,能有效地提高其工作效率和推力。高温高压高速运行时燃机常发生一些复杂的动力学行为故障,严重影响了系统的安全性和可靠性,而密封力和油膜力是引起转子系统失稳的主要因素之一,深入开展燃气轮机转子-轴承-密封系统非线性动力学特性的研究显得越来越重要。当前国内外学者对刷式密封转子系统的动力学特性的研究,大都是通过CFD仿真或者针对某具体结构进行实验测试。但这些研究还不完善,刷丝的力学行为特性和流体流动特性的耦合,以及刷丝与转子表面接触、刷丝束内部流体对密封动力学特性的影响都有待进一步研究。本文为优化燃气轮机轴系密封结构(包括单环刷式密封与复合刷式密封结构),建立了相应的转子系统计算模型,考虑了密封的结构参数和运行参数对刷式密封流动特性、密封力以及系统非线性动力学特性的影响,提出了关键结构与运行参数的选取范围,为燃气轮机的动力学设计提供了理论支持。主要研究内容、方法和成果包括以下几方面:对刷式密封的流场进行了分析研究。采用基于non-Darcian多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程数值求解方法,并通过与参考文献的结果进行对比验证了本文方法的正确性。建立了CFD计算模型,分析了径向间隙、刷束厚度、刷束栅栏高度、压比以及转速对单环刷式密封泄漏流动特性的影响。对复合刷式密封泄漏流动特性及转子表面、刷束自由高度和刷束栅栏高度的压力、速度、湍流动能分布规律进行了数值研究,然后着重分析了径向间隙对复合刷式密封泄漏流动特性的影响,并与相同结构参数的平齿迷宫密封进行了相应对比。研究发现泄漏量随着径向间隙的增加而上升,转子表面的轴向压力和湍流动能从进口到出口呈现阶梯状递减趋势,刷束下半部分和后挡板保护高度对泄漏特性影响比较明显。采用计算流体力学方法对刷式密封的动力学特性进行了分析。通过建立刷式密封的CFD计算模型,分别讨论了刷束厚度、刷束栅栏高度以及径向间隙等几何参数和运行参数对单环刷式密封流动特性、气动力、刚度系数以及阻尼系数等动力学性能的影响。研究发现交叉刚度系数和直接阻尼系数都将随刷束厚度、径向间隙和压比的增加而增加。并分析了径向间隙对复合刷式密封动力学特性的影响。考虑了气流力与转子偏心的共同作用,并基于弯曲变形理论对转子-密封系统的受力进行了分析。通过伯努利-欧拉方程和叠加法进一步分析建立了气流力和转子偏心作用下的力学模型,分析了偏心距、摩擦系数、气流均布力以及刷丝倾角、初始位置角等不同结构参数和运行参数对单根刷丝以及整圈刷丝束作用下的转子受力的影响。并通过系数拟合得到了刷式密封受力的计算表达式。搭建了转子-密封实验系统实验台,通过实验测试分析了密封力对系统的临界转速和振动特性的影响。研究发现考虑气流均布力时转子受到的作用力要明显大于不考虑气流力的情况,且作用力将随气流力的增大而增加;理论计算结果与实验结果基本一致,验证了刷式密封力学模型的正确性。应用刷式密封力学模型建立了转子-密封系统非线性动力学模型。讨论了不同的结构参数和运行参数如转子转速、刷式密封安装间距、转子阻尼和转子质量等关键参数对系统非线性动力学特性的影响。发现在密封力的作用下系统的临界转速有所提高,低转速情况下无密封力作用时系统的振幅和功率谱要稍大于有密封力的情况,而高转速情况则正好相反;随着安装间距的增加,系统的振幅有所减小;增大系统阻尼和减小转子质量能有效地提高系统稳定性。采用了刷式密封力模型以及基于短轴承理论的非线性油膜力模型,以此建立单盘转子-轴承-密封系统和燃气轮机转子-轴承-密封系统的动力学模型。并采用四阶龙格库塔法求解无量纲运动方程。然后分析了转子转速、刷式密封安装间距、圆盘偏心距、圆盘质量以及轴颈质量等主要参数对系统振动响应与动力学特性的影响。研究发现随着转子转速的上升,转子-轴承-密封系统交替地经历了多种运动形式;转子振动幅度将随着刷式密封安装间距的增大而减小,随圆盘质量偏心距的增大而增加;低转速下随着圆盘质量和轴颈质量的增加,系统的非线性运动形式将变得更复杂;高转速或大圆盘质量情况下,油膜涡动与油膜振荡将更容易出现。