考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合性能分析*

王莉娜 孫恒超 孫 偉 周雪茜 崔寓淏 孫立臣 孟冬輝

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 北京 100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部 北京100094)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，對(duì)其密封裝置性能提出了更加苛刻的要求，密封性能的優(yōu)劣已成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)一步提高的因素之一。指尖密封作為一種柔性密封，可適應(yīng)轉(zhuǎn)子偏移作用而不損傷密封完整性；且指尖密封與篦齒密封和刷密封相比，還具有較優(yōu)性價(jià)比，使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域中有著潛在的應(yīng)用前景，因此近年來(lái)得到了較多學(xué)者的關(guān)注和研究[1-4]。

指尖密封的動(dòng)態(tài)性能分析是提升密封性能的基礎(chǔ)工作。MARIE[5]將流體動(dòng)壓指尖密封系統(tǒng)等效為2個(gè)自由度的集中質(zhì)量等效動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)理論分析的方法建立了指尖密封結(jié)構(gòu)剛度和氣膜動(dòng)態(tài)剛度系數(shù)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、氣膜間隙和指尖密封結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。BRAUN等[6-7]將流體動(dòng)壓指尖密封等效為集中質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，并采用這一模型分析了流體動(dòng)壓指尖密封隨同轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。SU和CHEN[8]采用集中質(zhì)量等效動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了指尖密封遲滯性能和接觸性能的分析，探討了低遲滯和低磨損指尖密封的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)途徑，并對(duì)比了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)條件下的指尖密封遲滯率的差異，體現(xiàn)出指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析的必要性。CHEN等[9]在考慮指尖密封元件間摩擦阻力的條件下，建立了多層疊置指尖密封分布質(zhì)量等效動(dòng)力學(xué)模型，采用該模型進(jìn)行了指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析，證明了所提出模型計(jì)算精度優(yōu)于集中質(zhì)量等效動(dòng)力學(xué)模型。WANG等[10-13]建立了復(fù)合工作狀態(tài)下的指尖密封等效動(dòng)力學(xué)模型，并采用這一模型分析了不同復(fù)合工作狀態(tài)下指尖密封動(dòng)態(tài)性能的差異。趙海林等[14]基于流量因子和哈根-泊肅葉定律構(gòu)建了指尖密封側(cè)隙多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)滲透率的計(jì)算方法，進(jìn)而建立了基于多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的指尖密封側(cè)隙泄漏性能分析數(shù)值模型；然后計(jì)入指尖密封側(cè)隙泄漏的影響，構(gòu)建了考慮指尖密封側(cè)隙泄漏和主流道泄漏的指尖密封總泄漏分析方法；在此基礎(chǔ)上最后分析了指尖片表面形貌參數(shù)、指尖密封工況參數(shù)對(duì)指尖密封側(cè)隙泄漏、主流道泄漏和總泄漏的影響，研究了指尖密封側(cè)隙泄漏和主流道泄漏的權(quán)重比例。DU等[15-16]采用半解析法進(jìn)行了非接觸指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析，通過(guò)求解雷諾方程獲得了指尖密封泄漏量，分析了影響指尖密封泄漏性能的主要因素。王莉娜等[17]建立了考慮泄漏間隙中有壓流體作用的指尖密封性能分析模型，對(duì)是否考慮泄漏間隙中有壓流體作用的指尖密封性能差異進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明：指尖密封性能分析工作需要考慮泄漏間隙有壓流體的作用。

以往的研究雖采用有限元方法或等效動(dòng)力學(xué)方法，分析了不同單因素或多因素耦合作用下的指尖密封的動(dòng)態(tài)性能，但大都僅限于分析單個(gè)周期或少數(shù)幾個(gè)周期的極短時(shí)間內(nèi)的性能，因此以現(xiàn)有研究結(jié)果表征長(zhǎng)服役期下指尖密封的性能，必然會(huì)造成較大誤差。特別是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)壽命要求提升至新的高度，而位于其中的指尖密封裝置是影響其性能的薄弱環(huán)節(jié)。由于轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成指尖密封的漸進(jìn)磨損，進(jìn)而會(huì)對(duì)指尖密封的泄漏性能產(chǎn)生影響，因此開(kāi)展考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析，不僅深化了指尖密封動(dòng)態(tài)性能的研究，也為實(shí)現(xiàn)指尖密封工程應(yīng)用提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備。

本文作者構(gòu)建了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析模型，并采用這一模型重點(diǎn)開(kāi)展了指尖密封泄漏性能隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律研究，以及對(duì)比了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否條件下指尖密封動(dòng)態(tài)性能的差異。同時(shí)，根據(jù)指尖密封泄漏性能隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律擬合指尖密封壽命評(píng)估數(shù)學(xué)模型，經(jīng)外推后可實(shí)現(xiàn)對(duì)指尖密封服役壽命的預(yù)測(cè)。文中的研究不僅有助于指尖密封動(dòng)態(tài)分析技術(shù)在其工程分析設(shè)計(jì)中的實(shí)用化，也在一定程度上對(duì)指尖密封動(dòng)力學(xué)研究理論體系和方法有所完善。

1 理論模型

考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析流程如圖1所示。其研究思路為：首先基于有限元方法建立指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析有限元模型，獲得指尖靴(徑向)尺寸磨損量，并將這一尺寸減小量計(jì)入指尖密封泄漏模型中，獲得新的流體壓力分布；然后將這一流體壓力作用于新一周期的指尖密封性能分析中，以獲得新一周期內(nèi)指尖密封的磨損量；如此循環(huán)迭代，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析。

圖1 考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析流程Fig 1 Flow of fluid-solid coupling dynamic performance analysis of finger seal considering progressive wear effect

1.1 考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析有限元模型

指尖密封由多層指尖片交錯(cuò)疊置組成，其中每層指尖片由若干個(gè)柔性的指尖梁沿周向均勻排列而成。交錯(cuò)疊置的多層指尖片再由前、后擋板夾持，并通過(guò)鉚釘進(jìn)行固定，如圖2所示。

圖2 指尖密封結(jié)構(gòu)示意Fig 2 Schematic of finger seal structure

由于指尖密封結(jié)構(gòu)具有周向循環(huán)的結(jié)構(gòu)特征，在滿足計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，以3層指尖片交錯(cuò)疊置，且每層指尖片含2個(gè)指尖梁為研究對(duì)象，建立如圖3所示的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析有限元模型。其邊界條件設(shè)置為：在指尖片外圓面和后擋板1處施加位移全約束；在轉(zhuǎn)子端面2處施加軸向位移約束；在轉(zhuǎn)子側(cè)面3處施加x方向位移約束；在指尖梁根部圓周截?cái)嗖课?和后擋板圓周截?cái)嗖课?處施加循環(huán)對(duì)稱約束；在高壓指尖片端面6處施加上下游壓力差；在轉(zhuǎn)子上表面7處施加轉(zhuǎn)子位移激勵(lì)。

圖3 指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析有限元模型Fig 3 Finite element model of finger seal dynamic performance analysis

轉(zhuǎn)子位移激勵(lì)采用分段正弦函數(shù)形式表達(dá)為

(1)

式中:nr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；a為支承軸承的徑向游隙；et為t時(shí)刻指尖密封因磨損而造成的指尖靴(徑向)尺寸的減小量;n*為特定轉(zhuǎn)速[18],

(2)

式中:me為轉(zhuǎn)子不平衡量；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析有限元模型進(jìn)行求解，可以獲得指尖密封中因磨損而造成的指尖靴尺寸的減小量，以及獲得計(jì)入漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率。

轉(zhuǎn)子一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，當(dāng)指尖密封與轉(zhuǎn)子間處于分離或脫離狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)流場(chǎng)計(jì)算域(如圖4所示)進(jìn)行求解，獲得每層指尖片中指尖靴底部所受的流體壓力的“抬升”作用。

圖4 指尖密封流場(chǎng)分析示意Fig 4 Schematic of finger seal fluid analysis

1.1.1 指尖密封中指尖靴磨損尺寸減小量計(jì)算

一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，N層指尖片構(gòu)成的指尖密封的平均接觸壓力為

(3)

式中:N為指尖密封中指尖片的層數(shù)；T為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)周期；f為轉(zhuǎn)子一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期(包括指尖梁與轉(zhuǎn)子接觸時(shí)間段和脫離時(shí)間段)的計(jì)算時(shí)間步數(shù)；t0為初始時(shí)刻點(diǎn)；Δt=T/f為時(shí)間步長(zhǎng)；pi(t0+jΔt)為t時(shí)刻指尖密封中指尖靴靴底與轉(zhuǎn)子間的接觸壓力。

根據(jù)Archard摩擦模型，可以得到指尖密封的線磨損率γ[19]為

(4)

式中:Kw為無(wú)因次磨損系數(shù)，考慮到轉(zhuǎn)子表面涂層的影響，按照干摩擦選取Kw=1.22×10-6；Dr為轉(zhuǎn)子直徑；H為鈷基合金材料的布氏硬度，H=200 MPa。

則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周或一個(gè)周期內(nèi)指尖靴尺寸因磨損而造成的尺寸減小量et可以表示為

(5)

1.1.2 指尖密封泄漏模型建立

指尖密封的泄漏率與指尖梁與轉(zhuǎn)子間存在的泄漏間隙有關(guān)。指尖梁與轉(zhuǎn)子間的泄漏間隙用指尖梁位移響應(yīng)與轉(zhuǎn)子位移激勵(lì)之差表征，其中t時(shí)刻第i層指尖片的指尖梁與轉(zhuǎn)子間的泄漏間隙hi(t)表示為

hi(t)=xi(t)-yi(t)

(6)

式中:xi(t)和yi(t)分別為t時(shí)刻第i層指尖片中指尖梁的位移響應(yīng)和同時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位移激勵(lì)。

(7)

則指尖密封的泄漏率Q[20]可以表示為

(8)

式中:ρ為流體密度；η為流體動(dòng)力黏度；L為指尖密封泄漏間隙長(zhǎng)度。

若在指尖密封泄漏間隙模型中計(jì)入指尖靴因磨損而造成的(徑向)尺寸減小量et，則一定程度上增大了指尖密封的泄漏間隙，造成指尖密封泄漏率的增大。則第nn個(gè)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)周期或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)至第nn轉(zhuǎn)時(shí)，指尖密封的泄漏率Qn可以表示為

(9)

1.2 指尖密封壽命預(yù)測(cè)模型

指尖密封壽命預(yù)測(cè)流程如圖5所示，其分析思路可以概括如下：

圖5 指尖密封壽命預(yù)測(cè)流程Fig 5 Flow of finger seal life prediction

基于有限元方法建立考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析模型，并采用這一模型求解指尖密封tn時(shí)刻的泄漏率，并與對(duì)應(yīng)時(shí)刻下通過(guò)試驗(yàn)獲得的指尖密封的泄漏率進(jìn)行對(duì)比，以對(duì)理論模型進(jìn)行修正。

采用修正后的考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析模型，求解獲得t0、t1、t2、…、tn-1、tn時(shí)刻指尖密封的泄漏率，并根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，擬合指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間tn變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并通過(guò)外推獲得指尖密封服役壽命預(yù)測(cè)模型。

將指尖密封泄漏性能指標(biāo)作為指尖密封性能失效的判據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指尖密封實(shí)際使用壽命的預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

文中根據(jù)文獻(xiàn)[9]中指尖密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立以3層指尖片交錯(cuò)疊置，且每層指尖片包含2個(gè)指尖梁為研究對(duì)象，開(kāi)展考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析。

2.1 考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析

在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，壓差分別為0.1、0.3和0.5 MPa條件下，分析了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能隨服役時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的接觸壓力會(huì)呈現(xiàn)出先較大幅度減小，爾后緩慢減小的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于指尖密封開(kāi)始工作階段，指尖密封與轉(zhuǎn)子間處于磨合階段，在這一階段的指尖密封磨損較為劇烈；而隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，指尖密封與轉(zhuǎn)子間的配合進(jìn)入到穩(wěn)定階段，故在這一階段的指尖密封磨損較為緩慢。從圖中還可以看出，隨著壓差的增大，相同時(shí)刻的指尖密封的接觸壓力會(huì)隨之增大，這是因?yàn)檩^大的壓差在增大指尖密封遲滯效應(yīng)的同時(shí)，亦增大了指尖密封中指尖靴與轉(zhuǎn)子間的接觸壓力。

圖6 考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封性能隨服役時(shí)間的變化Fig 6 Change of finger seal performance with increasing working time under considering progressive wear (a) change of finger seal contact pressure with increasing working time； (b) change of finger foot radial dimension decrescence with increasing working time；(c) change of finger seal leakage rate with increasing working time

圖6(b)給出了指尖密封中指尖靴(徑向)尺寸減小量隨時(shí)間的變化。可以看出，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，指尖密封中指尖靴(徑向)尺寸減小量會(huì)呈現(xiàn)出先較大幅度減小，爾后緩慢減小的變化趨勢(shì)。從圖中還可以看出，隨著壓差的增大，相同時(shí)刻下指尖密封中指尖靴的尺寸減小量會(huì)隨之增大。上述現(xiàn)象均與圖6(a)中指尖密封接觸壓力隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)是相對(duì)應(yīng)的。

圖6(c)給出了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封泄漏率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律。可以看出，隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)，指尖密封的泄漏率會(huì)呈現(xiàn)出先較大幅度地增長(zhǎng)，爾后緩慢增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，因磨損而造成的指尖密封中指尖靴的徑向尺寸減小量會(huì)逐步增大，從而會(huì)造成指尖密封泄漏間隙的增大。這一泄漏間隙中新的流體壓力分布會(huì)在下一個(gè)工作周期中作用于指尖密封與轉(zhuǎn)子脫離的時(shí)間段內(nèi)，這樣在泄漏間隙中流體壓力“抬升”以及指尖片間摩擦阻力的綜合作用下，會(huì)造成這一周期中指尖密封與轉(zhuǎn)子接觸時(shí)間段內(nèi)指尖靴與轉(zhuǎn)子間接觸壓力的變化，即獲得新的接觸壓力。如此循環(huán)迭代，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析。從圖中還可以看出，隨壓差的增大，相同時(shí)刻下，指尖密封的泄漏率會(huì)隨之增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于較大的壓差會(huì)造成指尖密封遲滯效應(yīng)的增大，即增大了指尖密封的泄漏間隙；同時(shí)，每個(gè)工作周期中，當(dāng)指尖靴與轉(zhuǎn)子間處于非接觸或分離狀態(tài)時(shí)，此時(shí)指尖靴與轉(zhuǎn)子間較大的流體壓力會(huì)進(jìn)一步增大指尖密封中指尖靴與轉(zhuǎn)子間泄漏間隙。

2.2 考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封動(dòng)態(tài)性能對(duì)比分析

在壓差0.3 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為5 000、9 000和12 000 r/min條件下，分析了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封性能隨時(shí)間變化的情況，結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，3種轉(zhuǎn)速條件下，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的接觸壓力隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)先較大幅度減小，爾后緩慢減小的變化趨勢(shì)；而不考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的接觸壓力隨服役時(shí)間增長(zhǎng)保持恒定的接觸壓力，這顯然是不合理的。從圖中還可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，相同時(shí)刻下考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封的接觸力均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增大會(huì)造成轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)量的增大，而較大的轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)量會(huì)增大指尖靴與轉(zhuǎn)子間的接觸壓力。

與圖7(a)相對(duì)應(yīng)，圖7(b)中3種轉(zhuǎn)速下，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封中指尖靴(徑向)尺寸減小量隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)出先較大幅度減小，爾后緩慢減小的變化趨勢(shì)；而不考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封中指尖靴(徑向)尺寸減小量隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)均為“零”。

圖7(c)給出了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律?？梢钥闯?，3種轉(zhuǎn)速條件下，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)先較大幅度增長(zhǎng)，爾后緩慢增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)；而不考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)均保持恒定值，這顯然是不合理的。

圖7 考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封性能隨時(shí)間變化的對(duì)比Fig 7 Comparison of finger seal performance with increasing time whether or not considering progressive wear effect(a) comparison of finger seal contact pressure；(b) comparison of finger foot radial dimension decrescence； (c)comparison of finger seal leakage rate

2.3 理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

圖8所示為指尖密封泄漏性能理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯觯S指尖密封服役時(shí)間或工作時(shí)間的增長(zhǎng)，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果更為吻合，驗(yàn)證了文中提出的考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析理論模型的正確性；而不考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)保持恒定值，這與試驗(yàn)獲得的指尖密封泄漏率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)存在明顯的差異，這顯然是不合理的。

根據(jù)圖8中考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封的泄漏性能隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律還可以推斷出：因?yàn)槟p造成的指尖靴(徑向)尺寸的減小量會(huì)造成指尖密封泄漏性能的劣化，因而考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的壽命將顯著小于不考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的壽命。

圖8 理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig 8 Comparison of theoretical and experimental results

2.4 指尖密封壽命評(píng)估

依據(jù)文中2.1和2.2節(jié)中通過(guò)理論計(jì)算的考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律，擬合了指尖密封泄漏率與服役時(shí)間之間的數(shù)學(xué)模型(詳見(jiàn)表1)，并經(jīng)外推即可實(shí)現(xiàn)對(duì)指尖密封服役壽命的預(yù)測(cè)。

表1 指尖密封泄漏率Q與服役時(shí)間t之間的擬合公式Table 1 Fitting formula between leakage rate Q and working time t of finger seal

將指尖密封總的泄漏性能(Qtotal=Q×t)作為指尖密封失效的指標(biāo)，并采用指尖密封服役壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算各時(shí)刻點(diǎn)的泄漏率Q，并對(duì)泄漏率沿時(shí)間軸t進(jìn)行求和，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)指尖密封壽命的預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

(1)建立考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封動(dòng)態(tài)性能分析有限元模型，并采用這一模型研究了漸進(jìn)磨損效應(yīng)對(duì)指尖密封泄漏性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏性能隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)的變化規(guī)律，這與指尖密封實(shí)際工作中所呈現(xiàn)的規(guī)律一致；隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)與否的指尖密封動(dòng)態(tài)性能間的差異會(huì)愈發(fā)顯著。

(2)較之不考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)，考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率與對(duì)應(yīng)時(shí)刻下試驗(yàn)獲得的泄漏率更為接近，且考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封的泄漏率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封流-固耦合動(dòng)態(tài)性能分析模型的正確性。

(3)根據(jù)考慮漸進(jìn)磨損效應(yīng)的指尖密封泄漏性能隨服役時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律擬合數(shù)學(xué)模型，經(jīng)外推后可實(shí)現(xiàn)對(duì)指尖密封壽命的預(yù)測(cè)。