考虑液膜空化效应的影响,研究螺旋槽液体润滑机械密封的动力学特性.基于液体润滑理论和小扰动法,建立了考虑液膜空化的密封微扰膜压控制方程,采用有限单元法对端面液膜三自由度微扰下的液膜刚度和阻尼系数进行了数值求解,分析了不同参数对液膜密封动力系数的影响.螺旋槽深度在10μm左右、槽坝比在0.75左右、槽宽比在0.4左右,螺旋角在9°左右时液膜具有最大的轴向和角向刚度系数.螺旋槽深度在5μm左右、槽宽比在0.6左右、螺旋角在20°左右时,两角向交叉阻尼绝对值最大.初始偏角的存在使密封压力呈现非对称性,从而使两角向动力系数绝对值不再相等.液膜轴向刚度kzz在数量级上远大于其余液膜刚度值,液膜轴向阻尼dzz、角向阻尼dαα和dββ远大于液膜其余阻尼值且随着转速和间隙的增大而减小.

为研究微扰下的波度端面机械密封的动态特性,基于流体润滑理论和小扰动法,考虑液膜空化建立计入JFO边界条件的微扰膜压控制方程,数值求解密封端面液膜三自由度微扰下的动态刚度和阻尼系数,分析几何参数和操作参数对波度端面机械密封动态特性系数的影响规律。结果表明:随着介质压力的增大,液膜动态刚度和阻尼系数均增大,有利于提升密封动态稳定性;高转速下虽液膜动态刚度系数增大,但液膜阻尼特性变差,密封工况运行易产生失稳;随着波锥比的增大,液膜动态刚度和阻尼系数均增大;波数约为8、坝宽比约为0.25时,液膜动态刚度和阻尼系数能得到相对优化结果。

为保证应用于航空发动机动密封的稳定运行,针对浮动式箔片气膜密封,采用考虑库仑摩擦作用的波箔片刚度模型,利用中心差分法和超松弛迭代法耦合求解箔片变形方程、压力控制方程和气膜厚度控制方程,并运用小扰动法,结合压力与箔片变形的平衡关系,获得锲形润滑气膜的流场分布,分析了工况参数、箔片结构参数以及直线动压槽分布位置对密封静、动态特性的影响规律。研究结果表明:受益于密封面的变形作用,浮动式箔片气膜密封可根据运行工况自主调节气膜间隙;进口直线槽的气膜浮升力和泄漏量均大于中间直线槽;密封特性与气膜压力和密封间隙密切相关,但受到库仑摩擦效应的影响很小;库仑摩擦效应和加厚箔片都可在一定程度上增大箔片刚度,使得密封表面变“刚”;浮动式箔片气膜密封在高转速服役环境下的综合表现良好。研究成果为今后浮动式箔

提出一种新型箔片端面气膜密封方式,基于气体润滑与弹性力学理论,应用小扰动法建立箔片端面气膜密封的微扰膜压控制方程。对比分析了不同箔片变形力学模型下的动态特性系数变化规律,探究了不同工况及结构参数对气膜动态特性的影响规律,以最大动态主刚度和阻尼作为综合优化目标,确定了结构参数的优选范围。结果表明:随着激振频率、转轴转速的提高,气膜动态主刚度与动态主阻尼的动态互补变化,抑制了润滑膜厚的激变,同时作为气膜不稳定诱因的动态交叉系数的变化放缓,降低了因工况突变引起气膜振荡、失稳的风险;此外,介质压力的增大能够显著提升密封维稳、抗振性能。当楔形高度取5~8μm,节距比取0.2~0.4,箔坝比取0.5~1.1,箔片数取4~6,箔片结构阻尼取5×107~8×107Pa·s/m时,箔片端面气膜密封综合动态抗扰性能较优。

外加压静压气体密封在启停等低速运转状态下具有良好的性能,并且便于通过调节气源进行干预.密封在运 行过程中会受到非浮动环的窜动和偏摆的影响,故需要良好的追随性以维持密封稳定有效工作.本文采用小扰动法分 别计算了采用整周和分区均压槽的外加压静压气体密封的动特性系数,然后进一步计算追随性,并进行了对比.结果表 明,采用不同均压槽形式的密封在轴向上的性质差别不大,但相比于采用整周均压槽,采用分区均压槽的静压气体密封 具有显著更高的角向直接动刚度、更好的对非浮动环偏摆的追随性.