多运行状态条件下变刚度指尖密封设计理论研究

This project forcuses on the stability design of dynamic seals for advanced aero-engines under the running status of taking off, cruising, combating and landing, to curry out some researches on the design theory and method for variable stiffness of finger seals under multi-running status condition. The influences of pressure difference, tempresure and rotating speed on the stability of dynamic seals under the multi-running status are revealed by therical analysis, numerical simulation and experimental research. Through investigations of the relationship between deformation and strain engry of finger seals, the relationship of the deformation and stiffness for finger seals will be obtained as well as the methods and switching conditions to design finger seals with variable stiffness will be studied. Based on the finger stems structure which can be controled by using Bezier curve and spline curve,the variable stiffness design mehtod for finger seal is built.Then combining the previous investigation and multi-objective optimization,the new design theory for variable stiffness finger seal under the multi-running status condition and evaluation methodology for leakage, abrasion and stability are proposed.Last the verification testings, based on special engineering application enviroments and multi-running status conditions, are carried out. This project is very useful and valuable for cientific research and engineering application and it also provieds some references for solving similar theory and technology questions.

本项目以航空发动机动态密封在起飞、巡航、格斗和降落状态下的稳定性设计技术需求为牵引，开展多运行状态条件下变刚度指尖密封的设计理论和方法研究。通过采用理论分析、数值仿真和试验研究结合的方式，揭示多运行状态变化条件下压差、温度和转速等不同于结构维度上的工况参数对动态密封装置稳定性的影响机理，通过研究指尖密封变形能与应变能之间的关系，确定指尖密封变形与刚度的关系特征，探索指尖密封变刚度设计的途径和刚度切换条件，基于贝塞尔曲线或样条曲线等形状可控的指尖梁型线结构，提取指尖密封的变刚度设计方法，结合多目标优化研究凝练多运行状态条件下变刚度气膜指尖密封的设计新理论及其泄漏性能、磨损特性和稳定性评价方法，根据典型工程应用环境和多运行状态条件开展试验验证研究。本项目对满足多运行状态条件下的新型动态密封装置研制以及提升航空发动机的性能，具有重要科学意义和工程价值，也为类似理论和技术问题的解决提供了研究参考。

本项目以航空发动机动态密封在多运行状态下的稳定性设计需求为牵引，开展了多运行状态条件下变刚度指尖密封的设计理论和方法研究，具体研究工作简要如下：. 通过分析指尖密封的变形和工作机理，采用抛物线构建了“上凹”构型指尖密封的变刚度型线参数化设计方法，并基于构建的型线设计方法研究了结构参数、上下游压差和转速等条件对指尖密封性能的影响机理，与传统的“下凹”渐开线型线构型指尖密封性能进行了对比分析，基于指尖密封实际使用中的工况条件和变形机理，研究了若干工况切换条件下指尖密封的刚度要求特性，提出了变刚度型线的控制方法，分析了“上凹”变刚度构型指尖密封对于解决迟滞泄漏的贡献度，研究结果表明提出的变刚度指尖密封设计方法，相较之采用传统型线的结构优化而言，改善迟滞泄漏的同时几乎没有牺牲其磨损性能，在解决指尖密封迟滞泄漏问题上具有明显的效果。. 依据构建的“上凹”构型变刚度指尖密封设计方法，进行了接触构型和流体动压构型指尖密封的结构优化研究，采用Nash均衡博弈优化理论分别对提两种构型的指尖密封进行了性能优化，构建了变刚度指尖密封综合性能的博弈优化方法，获得了综合性能优越的指尖密封设计拓扑结构，并采用同样的方法对传统渐开线“下凹”构型的指尖密封开展了性能优化研究，将其进行了性能对比分析，验证了设计方法的可行性，并为物理实验验证提供试验件设计方案。. 采用等效动力学模型构建了碳碳复合材料指尖密封的性能设计方法，并开展了碳碳复合材料的摩擦试验研究。结合钴基合金材质指尖密封的研究，进行了金属材质和碳碳复合材质指尖密封性能的物理实验研究，同时开展了与石墨密封的对比试验研究，验证了变刚度指尖密封设计方法的可行性以及碳碳复合材质指尖密封的可行性，获得了综合性能优越的指尖密封拓扑结构，同时也发现金属材质指尖密封的耐磨涂层可能是进一步改善其磨损寿命的重要途径，为指尖密封的设计研究和工程应用提供了重要参考。