圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的形成方法和遲滯性能分析

白花蕾

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的形成方法和遲滯性能分析

白花蕾

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

對(duì)圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的形成方式進(jìn)行了分析和研究，在此基礎(chǔ)上采用有限元技術(shù)對(duì)圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的遲滯性能進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明:在相同的展開角范圍內(nèi)，2種圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的遲滯性能要優(yōu)于對(duì)數(shù)螺線指尖密封結(jié)構(gòu)的遲滯性能，圓弧型線弧長(zhǎng)較短的指尖密封結(jié)構(gòu)的遲滯性表現(xiàn)更優(yōu)。

指尖密封；圓弧型線；遲滯性能；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；對(duì)數(shù)螺線；對(duì)數(shù)螺線

0 引言

指尖密封是繼篦齒密封和刷式密封之后發(fā)展起來的1種新型密封技術(shù)，相比于后二者具有相對(duì)優(yōu)良的密封特性和較低的制造成本。

NASA的Glenn研究中心等機(jī)構(gòu)對(duì)指尖密封技術(shù)進(jìn)行了較多研究[1-4]，擬將其應(yīng)用于下一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)獲得多項(xiàng)專利[5-8]，可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓腔與低壓腔之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣路和主軸承腔的密封。近年來國(guó)內(nèi)對(duì)指尖密封技術(shù)也開展了研究，陳國(guó)定等主要研究了指尖密封結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題[9-11]，吉洪湖等針對(duì)指尖密封結(jié)構(gòu)的泄漏特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究[12-14]。從已有文獻(xiàn)來看，國(guó)內(nèi)主要研究的指尖型線為漸開線、對(duì)數(shù)螺線等，很少涉及到圓弧型線。由于指梁型線直接影響到指尖密封技術(shù)的遲滯性，該遲滯性一般指當(dāng)轉(zhuǎn)子（或軸）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)楦鞣N原因造成轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)，從而引起指尖密封結(jié)構(gòu)變形而發(fā)生徑向外移，而當(dāng)轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原始位置時(shí)，指尖密封結(jié)構(gòu)卻因摩擦力作用不能恢復(fù)到原始形狀，從而在其自由端和轉(zhuǎn)子圓周面間形成泄漏通道，造成密封失效。

鑒于圓弧型線的簡(jiǎn)單性，本文參考了國(guó)外圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[15]，提出圓弧型線的1種形成方法，同時(shí)采用有限元方法對(duì)2種不同弧長(zhǎng)圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的工作性能進(jìn)行了分析。為下一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究提供了一些參考依據(jù)。

1 圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的形成

單指的形成結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。在指尖密封頂圓直徑Dt和根圓直徑Df一定的情況下，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)器條件首先確定形成指梁型線所需的展開角η=29.4°，然后選取圓弧型線所在的圓心位置（x，y）和半徑R。在一定的展開角范圍內(nèi)，圓心和半徑的選取決定了指梁型線的弧長(zhǎng)大小。已經(jīng)確定的圓弧線繞頂圓圓心旋轉(zhuǎn)角度α形成指梁指尖的間隙，接著旋轉(zhuǎn)角度β形成指梁的寬度。對(duì)于指尖靴部分，首先確定指尖靴前端的高度h，如圖旋轉(zhuǎn)角度ρ形成指尖靴指尖的間隙，接著旋轉(zhuǎn)角度γ形成指尖靴的寬度。要形成1個(gè)完整的密封片，需滿足

式中：N為指尖的個(gè)數(shù)。

指尖密封結(jié)構(gòu)的端面結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。從圖中可見，單指沿周向陣列N個(gè)之后形成完整的密封片。

圖1 指尖密封結(jié)構(gòu)

2 圓弧型線的遲滯性能分析

2.1 計(jì)算模型的選取

為進(jìn)一步研究圓弧型線指尖密封的遲滯性能，本文采用商業(yè)軟件ANSYS對(duì)一定展開角范圍內(nèi)的2種不同弧長(zhǎng)的指尖密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并與目前具有較好遲滯性能的對(duì)數(shù)螺線型線指尖密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。

計(jì)算模型如圖2所示。計(jì)算中取1個(gè)指尖所包括的區(qū)域作為求解域，為減少計(jì)算工作量，軸向僅取1個(gè)指尖密封件和后擋板作為分析對(duì)象。與上游壓力區(qū)接觸的密封片表面稱為密封片上游面，與后擋板接觸的密封片表面稱為密封片下游面。計(jì)算中密封片下游面與后擋板、指尖靴與轉(zhuǎn)子之間分別形成2個(gè)面接觸對(duì)。目標(biāo)單元和接觸單元分別采用Target170單元和Contact174單元，接觸表面間的摩擦系數(shù)取0.2，并考慮到密封裝置上、下游有壓力差，規(guī)定接觸面間不允許有間隙存在。

圖2 計(jì)算模型

計(jì)算通過3個(gè)載荷步來完成：在密封片上游面施加流體壓差；轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生跳動(dòng)與指尖曲梁自由端（即指尖靴）接觸并使指尖曲梁變形；轉(zhuǎn)子恢復(fù)原始位置、指尖曲梁因摩擦力作用而遲滯。通過上述分析，在密封片結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作條件基本不變的情況下，探討圓弧型線指尖密封的遲滯性能。計(jì)算中所取具體參數(shù)見表1。圓弧型線Ⅱ與圓弧型線Ⅰ相比，通過取不同的圓心位置和半徑獲得不同的弧長(zhǎng)，以便研究在相同的展開角范圍內(nèi)不同弧長(zhǎng)對(duì)遲滯性的影響。

指尖密封片遲滯性能的優(yōu)劣用遲滯率ε為

式中：△r為轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)量，mm；δ為轉(zhuǎn)子恢復(fù)到原始位置后指尖密封片殘留的變形量。

分析中轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)大多取0.02～0.20 mm；密封片上、下游壓差分別取 0.10、0.25、0.40MPa。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果和分析

圓弧型線和對(duì)數(shù)螺線的指尖密封在3種壓差條件下遲滯率隨轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)量變化的關(guān)系如圖3所示。從圖中可見，本文提出的2種圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的遲滯率比對(duì)數(shù)螺線指尖密封的相對(duì)小；對(duì)于2種不同弧長(zhǎng)的圓弧型線，圓弧型線Ⅰ的遲滯率要比圓弧型線Ⅱ的小，而且隨著壓差的增大，這種差別越明顯，這是因?yàn)樵谙嗤恼归_角范圍內(nèi)，圓弧型線Ⅰ的弧長(zhǎng)較短，剛度較大，從而表現(xiàn)出遲滯性較小。與文獻(xiàn)[10]不同的是，本文中指尖片的變形量還包括因壓差而產(chǎn)生的變形，所以在轉(zhuǎn)子恢復(fù)原始位置后，壓差使指尖靴產(chǎn)生軸向變形，從而使指尖密封結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸之間的泄漏通道增大。

圖3 遲滯率與轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)量的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）在本文選取計(jì)算參數(shù)范圍內(nèi)，可以獲得比對(duì)數(shù)螺線遲滯率小的圓弧指梁型線。

（2）在指尖密封結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作條件基本相同的情況下，弧長(zhǎng)較短的圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的遲滯率比弧長(zhǎng)較長(zhǎng)的圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)的小。

鑒于圓弧型線的簡(jiǎn)單性，可將圓弧型線指尖密封結(jié)構(gòu)作為下一步研究的對(duì)象。參考文獻(xiàn)：

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Analysis of Hysteresis and Form ing Method for Finger Sealw ith Arc Shape Curve

BAIHua-lei
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

The formingmethod for finger sealwith arc shape curve was analyzed and studied,and the hysteresis effect of finger seal with arc shape curve was computational analyzed by FEM(Finite ElementMethod).The result indicates that the hysteresis effects of two kinds of finger sealwith arc shape curve are better than finger sealwith logarithmic curvature in the range of the same opening angel.The shorterarc length indicate better hysteresis.

finger seal;arcs of circles shape-curve;hysteresis;aeroengine;logarithmic curvature

V233.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.010

2013-01-13

白花蕾（1983），女，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封設(shè)計(jì)工作；E-mail：baihualei@163.com。

白花蕾.圓弧型線指尖密封的形成方法和遲滯性能分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2014,40（3）：49-51．BAIHualei.Analysis ofhysteresis and formingmethod forfingersealwith arc shape curve[J].Aeroengine,2014,40（3）:49-51.