專利名稱：航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種密封阻尼結(jié)構(gòu)件，更特別地說，是指一種用于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)件。
背景技術(shù)：
以航空發(fā)動機(jī)為代表的高速旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，需要多達(dá)幾十處的流體動密封。如壓氣機(jī)出口、渦輪入口、級間和軸承腔，以及轉(zhuǎn)子葉尖處的密封。流體動密封工作性能的好壞直接影響著航空發(fā)動機(jī)的總體性能，包括效率、推重比、耗油率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等。先進(jìn)的封嚴(yán)裝置不僅可以降低耗油率，而且能夠減緩發(fā)動機(jī)性能衰退，降低渦輪前溫度，提高熱端部件和止推軸承的壽命，減輕發(fā)動機(jī)的重量等。因此可以說，密封設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值與意義。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)追求高轉(zhuǎn)速、高增壓比、高渦輪前溫度等較高的性能參數(shù)，這使得傳統(tǒng)封嚴(yán)裝置的工作條件日趨惡劣，對航空發(fā)動機(jī)的效率，可靠性，穩(wěn)定性及壽命和維護(hù)性都有產(chǎn)生了重大的影響。以篦齒封嚴(yán)為代表的非接觸式封嚴(yán)是航空發(fā)動機(jī)和其他高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中被廣泛使用的封嚴(yán)裝置。在《航空制造技術(shù)》2008年第8期的“航空發(fā)動機(jī)封嚴(yán)技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展”的

圖1和圖2中介紹了多種篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。篦齒封嚴(yán)的靜子為剛性， 在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中間隙固定不可調(diào)，若間隙過大，則封嚴(yán)效果不佳，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整體性能下降；若間隙較小，由于發(fā)動機(jī)在頻繁起停車、機(jī)動載荷和離心載荷作用下引起的較大徑向振動，使轉(zhuǎn)子與靜子之間較容易發(fā)生碰摩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)。可見，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，提高封嚴(yán)效果和防止轉(zhuǎn)靜子間碰摩表現(xiàn)出了不可調(diào)和的矛盾。因此，采用新型封嚴(yán)技術(shù)來減少發(fā)動機(jī)漏氣損失、增大發(fā)動機(jī)推力、減少發(fā)動機(jī)耗油率、提高發(fā)動機(jī)效率是十分必要和迫切的。航空發(fā)動機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動問題是影響發(fā)動機(jī)穩(wěn)定可靠工作的主要因素之一。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)向高轉(zhuǎn)速，高推重比，高可靠性的方向發(fā)展。一方面，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速較高，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近或通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的振動。另一方面， 由于材料上大量采用高新材料及復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用薄壁、板殼和空心結(jié)構(gòu)，這些改進(jìn)均對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動控制提出了更高的要求。因此，需要在發(fā)動機(jī)中加入更多有效的阻尼減振結(jié)構(gòu)來抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種帶金屬橡膠彈性外環(huán)的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)，是以金屬橡膠作為彈性外環(huán)，內(nèi)環(huán)為一種剛性浮動環(huán)，能夠在工作過程中繞結(jié)構(gòu)的中心進(jìn)動而不轉(zhuǎn)動； 該結(jié)構(gòu)的基本工作機(jī)理是氣流從密封阻尼結(jié)構(gòu)一側(cè)進(jìn)入，在彈性外環(huán)和轉(zhuǎn)子之間形成一層動壓潤滑氣膜。轉(zhuǎn)子在不平衡力的作用下作用于氣膜，由于偏心旋轉(zhuǎn)的楔形效應(yīng)和進(jìn)動擠壓效應(yīng)產(chǎn)生氣膜力，施加在浮動環(huán)上，使浮動環(huán)產(chǎn)生徑向偏移，從而擠壓金屬橡膠彈性外環(huán)，使其發(fā)生變形，一方面自動調(diào)節(jié)了氣膜間隙，減小轉(zhuǎn)、靜子間碰摩發(fā)生的可能性；另一方面產(chǎn)生有效阻尼，吸收了轉(zhuǎn)子的振動能量。轉(zhuǎn)子-氣膜-金屬橡膠彈性外環(huán)三者構(gòu)成一個(gè)流固耦合系統(tǒng)。彈性外環(huán)與氣膜不僅能對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻尼作用，而且浮動環(huán)與轉(zhuǎn)子之間的小間隙動壓氣膜能夠有效阻止氣體的軸向泄漏，因此該結(jié)構(gòu)具有密封和阻尼的雙重作用。本發(fā)明的一種航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括有下列步驟步驟一獲取氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的雷諾方程通過化簡N-S方程和流體連續(xù)方程，得到描述氣體速度V = {xv, yv, zv}、氣膜厚度 h、氣膜壓力P、氣體動力粘度P、氣體密度P的的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的雷諾方程
權(quán)利要求
1. 一種航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于該氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括有下列步驟步驟一獲取氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的雷諾方程通過化簡N-S方程和流體連續(xù)方程，得到描述氣體速度V= {xv, yv, zv}、氣膜厚度h、氣膜壓力ρ、氣體動力粘度μ、氣體密度P的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的雷諾方程d ( ^ θρλ d( ^ ΛR1WV 5Θ J dA. Ph'？Ph3 = - 2Ω)^ ‘表示偏導(dǎo)數(shù)；Rj 表示轉(zhuǎn)子半徑;-Z V dAz Jυσdh表示氣膜厚度；Θ表示與h最大時(shí)關(guān)聯(lián)的周向角；P表示氣膜壓力；μ表示氣體動力粘度；ω表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度；Ω表示轉(zhuǎn)子進(jìn)動速度；！表示θ的偏導(dǎo)數(shù)；I表示軸向ζ上的任δθ^A意點(diǎn)Az的偏導(dǎo)數(shù)；t表示對ρ求θ的偏導(dǎo)數(shù)表示對ρ求Az的偏導(dǎo)數(shù)；！M表示對δθdAδθPh求θ的偏導(dǎo)數(shù)；步驟二 將航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作參數(shù)WRD (pin，pout，ω, Ω)和結(jié)構(gòu)參數(shù)FRDO^j， C，μ, H4)代入雷諾方程中，求解得到氣膜徑向力Pr和氣膜周向力Pt;Pr = f—二\l"、P-Pa)COSθχ^χ θχdAz ；fH4/2 <·2ττ .、_HJ0 (P-Pa)SinexRjXdeXdAz;Pin表示氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的進(jìn)口壓力； Pout表示氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的出口壓力； Rj表示轉(zhuǎn)子半徑；C表示轉(zhuǎn)子與浮動環(huán)之間間隙的初始厚度； μ表示氣體動力粘度；H4表示浮動環(huán)的高度，也是氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)的有效長度； Pa表示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓； θ表示與h最大時(shí)關(guān)聯(lián)的周向角； de表示周向角的微分； dAz表示軸向ζ上的任意點(diǎn)Az的微分；步驟三在考慮航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子的最大徑向振動ε max的前提下，依據(jù)[Pr cos(彡-φΛ-Pt sin(彡-φ,) = F, 浮動環(huán)的力學(xué)平衡關(guān)系. U 二 l\ J，且Fk = MRKXeb,Fd = dMKXqXQ，[Pr -φ。+ Pt COS(於-CtO = Fd得到金屬橡膠剛度MRK ；Φ表示軸頸相對浮動環(huán)的周向角； Φ b表示浮動環(huán)的周向角； MRK表示金屬橡膠的剛度； eb表示浮動環(huán)的偏心距； dME表示金屬橡膠的阻尼系數(shù)； Ω表示轉(zhuǎn)子進(jìn)動速度；5Θ步驟四依據(jù)金屬橡膠剛度MRK采用三維繪圖軟件進(jìn)行金屬橡膠環(huán)構(gòu)形，得到金屬橡膠環(huán)的三維構(gòu)形；所述金屬橡膠環(huán)3的厚度記為D3毫米，金屬橡膠環(huán)3的高度記為H3毫米，金屬橡膠環(huán) 3的無量綱相對密度記為P 3，是金屬橡膠環(huán)的密度與金屬絲密度的比值，金屬橡膠環(huán)3的內(nèi)環(huán)半徑記為毫米，外環(huán)半徑記為民,毫米步驟五依據(jù)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子半徑1^，以及轉(zhuǎn)子與浮動環(huán)之間間隙的初始厚度C (C = 3 13 μ m)，能夠獲得浮動環(huán)的三維構(gòu)形；所述浮動環(huán)4的厚度記為D4毫米，浮動環(huán)4的高度記為H4毫米。浮動環(huán)4的內(nèi)半徑記為R4 毫米。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法獲得的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)，其特征在于該氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)由金屬橡膠環(huán)3和浮動環(huán)4構(gòu)成，金屬橡膠環(huán)3置于靜子2內(nèi)，金屬橡膠環(huán)3內(nèi)套接有浮動環(huán)4，浮動環(huán)4內(nèi)活動放置有轉(zhuǎn)子1，浮動環(huán)4與轉(zhuǎn)子1之間有間隙100。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)，其特征在于在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系r-t下徑向r 方向尺寸關(guān)系滿足Rj+C = R4內(nèi)，R4內(nèi)+D4 = R3內(nèi)，R3內(nèi)+D3 = R3外。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)，其特征在于氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)在軸向ζ 方向尺寸關(guān)系滿足H3<H4。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用N-S方程和流體連續(xù)方程化簡得到描述氣體速度V＝{xv，yv，zv}、氣膜厚度h、氣膜壓力p、氣體動力粘度μ和氣體密度ρ的雷諾方程；然后根據(jù)氣膜徑向力Pr和氣膜周向力Pt得到金屬橡膠剛度MRK；最后依據(jù)MRK與三維繪圖軟件相結(jié)合對金屬橡膠環(huán)(3)進(jìn)行建模，依據(jù)轉(zhuǎn)子半徑Rj和初始厚度C對浮動環(huán)(4)進(jìn)行建模，最終得到與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相匹配的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)在氣膜力的作用下可自動調(diào)節(jié)氣膜間隙，打破了傳統(tǒng)的非接觸式封嚴(yán)裝置密封間隙固定不可調(diào)的定式，減小轉(zhuǎn)子(1)、靜子(2)之間碰摩發(fā)生的可能性；采用動壓氣膜與金屬橡膠環(huán)(3)共同作用，能夠有效抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動。
文檔編號F01D11/00GK102155269SQ20111005166
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者張大義, 洪杰, 王虹, 馬艷紅 申請人:北京航空航天大學(xué)