表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封的性能分析

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinica‘'-Aug252012Vol33No81540-1546ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaaeducn文章編號：1000—6893(2012)08—154007表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封的性能分析。郎達(dá)學(xué)，蘇華“西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安710072摘要：表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封是本文提出的一種新型柔性氣體密封。建立了具有圓形微坑表面織構(gòu)靴底的指尖密封分

2、析模型，采用流固耦合有限元數(shù)值計(jì)算方法，分析了不同工況和織構(gòu)結(jié)構(gòu)條件下表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封的泄漏率、氣膜承載力及氣膜流場特征。結(jié)果表明具有圓形微坑織構(gòu)靴底的指尖密封具有較低的泄漏率和較高的氣膜承載力，通過與現(xiàn)有典型人字槽流體動壓指尖密封和接觸式指尖密封的性能對比，進(jìn)一步說明了表面織構(gòu)靴底指尖密封的綜合性能優(yōu)勢。流體壓差對表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封的性能影響較大；壓差較大時(shí)，適當(dāng)增大微坑直徑、減小微坑深度、采用均勻分布的微坑結(jié)構(gòu)形式，有利于提高密封性能。本義工作為設(shè)計(jì)性能良好的指尖密封結(jié)構(gòu)提供了一種新思路

3、。關(guān)鍵詞：指尖密封；表面織構(gòu)靴底；流固耦合；泄漏；氣膜承載力中圖分類號：V219；TB42文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A指尖密封是近20年來提出的一種新型柔性氣體密封技術(shù)，在燃?xì)鉁u輪機(jī)、汽輪機(jī)等密封技術(shù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，得到了廣泛的關(guān)注和研究。按照密封工作狀態(tài)可將指尖密封分為兩大類，即接觸式指尖密封和非接觸式流體動壓指尖密封。由于接觸式指尖密封中密封靴與轉(zhuǎn)子表面直接接觸，因而泄漏量較小，但是接觸磨損嚴(yán)重、壽命較低等問題已成為制約其在高溫、高速工況下工作的瓶頸。近年提出的非接觸式流體動壓指尖密封，借助于柔性的指尖曲梁和轉(zhuǎn)子／低

4、壓密封片的動壓靴之問形成的流體動壓效應(yīng)，避免了動壓靴和轉(zhuǎn)子表面的接觸[1]，實(shí)現(xiàn)了低磨損、長壽命的使用要求，但其轉(zhuǎn)子表而和密封靴底間存在較大的初始間隙(約25．4肚m)將可能造成較大的泄漏，并且存在氣膜形態(tài)很難控制的工作穩(wěn)定性問題?？梢娒芊獾男孤┖湍p是設(shè)計(jì)高性能指尖密封始終面臨的一對矛盾問題，因此探求能夠?qū)崿F(xiàn)同步改進(jìn)密封泄漏和磨損性能的方案顯得尤為重要。為有效解決密封的泄漏與接觸磨損問題，本文提出一種綜合傳統(tǒng)接觸式和非接觸式密封特征的新型指尖密封結(jié)構(gòu)，即表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封。這種指尖密封的外形采用帶動壓

5、靴的結(jié)構(gòu)形式，但密封靴與轉(zhuǎn)子問的初始間隙約為非接觸式密封的十分之一，且為減少磨損，與轉(zhuǎn)子相接觸的靴底表面采用表面織構(gòu)形式。表面織構(gòu)，即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和排列形式的微坑或微溝槽，已被證明是改善表面摩擦學(xué)特性的一種有效手段[2J，其原理是利用微坑或微溝槽產(chǎn)生的流體動壓等潤滑效果降低摩擦，提高表面承載力。近年來國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究[3。8]。研究結(jié)果表明，選擇合適的表面織構(gòu)幾何參數(shù)(深收稿日期：2011—10—25：退修日期：20¨一12—31；錄用日期：2012—01—11；網(wǎng)

6、絡(luò)出版時(shí)間：2012—02-0109：42網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V201202010942007hfmI基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)研究計(jì)劃(2009JM7002)*通訊作者．Tel．：029—88493929E—mail：huasu@nwpueducn引用格武：LangDX，SuHPerformanceanalys，sofsurfacetexturepaddedfingersealActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，3

7、3(8)：1540．1546郎達(dá)學(xué)．蘇華表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封昀性能分析航空學(xué)報(bào)，2012，33(8)：1540—1546郎達(dá)學(xué)等：表面織構(gòu)靴底流體動壓指尖密封的性能分析度、直徑、面積率)【i：『以使織構(gòu)化表面達(dá)到最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。在機(jī)械零件表面形成有規(guī)律的人造表面形貌．可以起到捕捉磨粒面以減少犁溝形成、作為儲油器給接觸表面提供潤滑劑以防止咬合、產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)以增加承載能力等作用一㈦。因此，本文提出將織構(gòu)應(yīng)用于指尖密封靴部，從而可以大大降低密封與轉(zhuǎn)子間的初始間隙，既能有效降低密封泄漏，又可以借助于靴底織構(gòu)

8、產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)避免密封磨損，從而為同步改進(jìn)指尖密封_}l{f漏和磨損性能提供一種新的研究思路。本文以圓形微坑表面織構(gòu)為例，采用流固耦合有限元方法對表面織構(gòu)靴底流體動J玉指尖密封的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，研究工況條件和表面織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響，以期為設(shè)計(jì)‘高性能指尖密封提供有益參考和理淪基礎(chǔ)。RiVet．2+1’ailgate：3Lowpressureseal：4