影响三瓣式高速浮环密封性能的敏感参数

针对应用在液体火箭发动机上的三瓣式高速浮环密封（TFRS），揭示密封在复杂多变工况下的泄漏特性和磨损特性，得到影响密封特性的敏感参数，促进高速密封技术的发展。针对压力、转速和密封周向弹簧比压等关键敏感参数，数值模拟了密封的泄漏率变化规律，试验测量了密封环的泄漏率和磨损率。研究结果表明:泄漏率和磨损率都随压力增大而增大；转速对三瓣式高速浮环密封磨损率敏感，对密封泄漏率不敏感，随着转速的增加，磨损率增大较快，泄漏率减小较慢；随着密封周向弹簧比压的增大，前期密封周向弹簧比压对泄漏率敏感，此时泄漏率变化幅度较大，磨损率变化幅度较小，后期密封周向弹簧比压对磨损率敏感，此时磨损率变化幅度较大，泄漏率变化幅度较小，密封周向弹簧比压在适当范围内时，泄漏率和磨损率都较小。研究结果为液体火箭发动机三瓣式高速浮环密封的设计、实际应用和深入研究提供了基础。      

气膜密封阻尼结构的气膜稳态特性分析

针对航空发动机等高速旋转机械的气体动密封和转子系统的振动问题,提出一种新型的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构,其作用是在转静子之间建立气膜用于阻尼和封严,高弹性阻尼材料的外环用于控制气膜的动力特征.基于准静态法建立转子-气膜-金属橡胶外环三者之间的流固耦合关系,采用有限差分法求解气膜压力场,得到表征气膜密封阻尼结构稳态特性的气膜力、泄漏量和摩擦转矩随参数变化的规律.计算结果表明:弹性外环能有效地改善气膜压力场的分布.具有良好稳态性能的结构参数选取范围应结合实际工况确定.在给定的工况条件下,长径比取1.5,密封间隙取0.05mm,柔性系数在2左右为佳.      

端柱面组合密封气膜稳态特性数值仿真分析

针对航空发动机等高速流体机械中流体动密封部位的工况特点,提出一种新型的端柱面组合气膜密封形式.根据气膜密封的结构特点,建立了端柱面螺旋槽组合式密封气膜的数学分析模型.采用CFD分析软件Fluent对气膜三维流场模型以湍流流动形式进行数值模拟计算.研究了密封气膜几何结构参数变化对密封稳态特性（端面承载力F_d 、柱面承载力F_c 、泄漏量Q、摩擦转矩M）的影响.几何结构参数包括端面平均膜厚、端面槽深比、柱面平均膜厚、柱面偏心率、柱面槽深比、柱面槽宽比.      

高速高压宽温域动压密封动环端面微变形及其改善方法

针对高速高压高温/低温工况下动压密封变形问题，以动压密封的典型结构为研究对象，考虑动环的支撑和约束，建立热固耦合分析模型，研究热载荷、力载荷和约束对动环端面微变形的影响，并提出动环端面微变形改善方法。结果表明:多载荷共同作用时，温差对动环端面微变形影响最大，其次是转速和压力；在2种情况下，动环端面微变形受温度值的影响很小，主要与温差有关；相比低温，动环端面微变形更易受高温的影响，单位温差的变形变化量为3~4倍；动环形心距旋转中心越远，动环端面微变形受转速影响越大，且呈抛物线关系；动环端面微变形与压差呈线性关系。对高速高压宽温域的动压密封，控制动环端面微变形，首先，应降低动环的温差；其次，若转速够高，应适当增加动环厚度，通过扩大形心变化区域能增加86%的动环端面微变形范围，若转速不够高，通过合理的结构设计约束动环内表面以控制动环翻转，最大能降低65.2%的动环端面微变形；最后，合理设计的轴向压紧力能进一步确保动环端面微变形维持在极小范围内。      

高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明:建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr₂O₃等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。      

柔片式密封数值计算及性能分析

针对高速转子柔片式密封系统,建立了密封区域流场的数学模型,采用一种修正的压力耦合方程组的半隐式方法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised, SIMPLER)算法和有限差分法对数学模型进行数值求解,构建了柔片式密封性能分析程序,得到密封系统的压力场分布、速度场分布及泄漏量等,研究了不同结构参数和工况参数对密封性能的影响.分析结果表明:泄漏量随密封压差的增大呈线性增长趋势,而随转子转速的增大略有减小;增加柔片宽度、减小柔片长度、减小前/背板-转子间距均对降低密封系统的泄漏量有益,而柔片安装角度的变化则对密封系统的泄漏量影响不明显.基于流场的结果,柔片和转子的动力学响应将被研究.      

橡胶O形圈密封结构的有限元分析

建立固体火箭发动机的橡胶O形圈的二维轴对称模型,采用非线性有限元方法计算了O形橡胶圈在库存和工作状态的变形及应力,分析了上下法兰张开间隙、初始压缩量、密封槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料、O形圈截面尺寸及工作温度等典型参数对密封性能的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率、密封圈材料等典型参数对最大接触压应力影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角对剪切应力影响明显.这些分析为密封结构的优化设计打下了基础;同时探讨O形圈应力分布规律,确定密封圈易受损和失效关键部位,初步确立了固体火箭发动机密封失效准则和失效模式.     

低滞后刷式密封数值分析

针对低滞后刷式密封物理结构,应用计入刷丝变形影响的各向异性多孔介质模型,用阻抗力表示刷丝对流动介质的阻碍作用,并将其作为Navier-Stoke方程的源项,以有限体积法和SIMPLE算法为基础建立刷式密封低滞后计算模型.通过流场计算,得到刷式密封的压力分布、速度分布以及泄漏量等.对计算结果进行了分析研究,讨论了不同结构参数和工况参数对密封性能的影响;对低滞后模型与普通刷式密封模型密封性能的分析表明,低滞后密封结构可有效降低背板接触力,改善滞后效应,使刷丝随动自适应性增加,这对保持密封系统的工作状态是有益的。      

涡轴发动机时延鲁棒串级PI控制器设计

针对涡轴发动机分布式控制系统中存在时延导致系统性能退化的问题，利用线性矩阵不等式（LMI）方法设计了时延鲁棒串级PI控制器。先利用内模控制（IMC）方法得到涡轴发动机串级控制器内、外环的PI控制器结构；再利用频域回路成形的方法给出保证系统具有期望性能的LMI形式约束条件；利用梯度近似的方法通过劳斯-赫尔维茨判据得到保证系统稳定的控制器参数约束条件；最后，在基于TrueTime的涡轴发动机分布式非线性仿真平台上进行数字仿真。仿真结果表明：在0.04 s时延条件下，当功率需求下降5%时，系统的调节时间小于5 s，功率涡轮转速超调不超过0.5%，且其最大燃油变化率只有传统串级PI控制系统的67%；设计的控制器能有效应对涡轴发动机分布式控制系统中存在的时延问题，同时能够以更小的代价保证系统具有期望的性能。     

一种新型组合密封系统的实验研究

 介绍了一种新型组合密封系统——气体螺旋槽与铁磁流体组合密封型式.在分别对这两种密封型式研究基础上,进行了组合密封实验.实验表明,这种密封型式可以达到从零速到设计转速整个范围内均具有所需要的密封能力.在高速旋转密封时,螺旋槽有效地抑制了铁磁流体的飞溅,并在铁磁流体破裂时,使其迅速恢复密封能力.所以该组合密封具有无污染、高可靠性等特点.同时指出,通过调节这两种密封型式的结构设计参数,可以满足不同的密封要求.这些性质是其它非接触式密封所做不到的.     

丁腈橡胶磨损失效机制及其表面碳薄膜改性技术

针对航天伺服机构密封件因磨损失效导致的泄漏难题,分析了大气及氮气环境下丁腈橡胶磨损失效机制。在此基础上,提出了其表面硬质类金刚石碳薄膜（DLC）改性技术,分析了改性后丁腈橡胶密封实件综合性能。结果表明：大气环境、恒定载荷（小载低速）条件下,丁腈橡胶主要以分层剥落方式磨损（疲劳磨损）。随着摩擦速度（或载荷）增大,其磨损失效主要表现为粘着磨损。对于氮气环境,氮气能够有效避免摩擦界面氧化作用,即降低了粘着磨损效应;此外,改性后橡胶密封实件在机械性能、质密性和密封性等方面较原始密封件未发生明显变化。经过4000次台架磨合试验后,油端密封圈表面光洁,无异常磨损;气端密封圈表面存在轻微磨损,能够满足使用要求。     

轴间气膜密封周向相对滑动判定方法

为预判端面轴间气膜密封中密封环与外层转子之间是否产生周向相对滑动,提出了一种考虑离心膨胀效应的轴间气膜密封周向相对滑动判定方法。分析了密封环与外层转子之间产生周向相对滑动的力学机制,将密封环和外层转子离心膨胀简化为轴对称平面应力问题和轴对称平面应变问题。计算了密封环和外层转子的弹性变形刚度差异对膨胀变形及连接关系的影响,得到了密封环与外层转子产生临界滑动的工况区域。所提判定方法对工程中密封环的周向滑动问题提供了预测及指导。      

Mechanical properties of ANTRIX balloon film and fabrication of single cap large volume balloons

The zero pressure plastic balloons used for high altitude studies are generally made from polyethylene material. Tensile properties of the thin film polymer are the key parameters for material selection due to extremely low temperature of −90 °C encountered by the balloons in the tropopause region during the ascent at equatorial latitudes. The physical and structural properties of the material determine the uniformity of the stress distribution over the entire shell. Load stresses from the suspended load propagate via load tapes heat sealed along with the gore seals as per the balloon design. A balance between this heat seal strength and the film strength is a desirable property of the basic resin in terms of the bubble strength, gauge uniformity, and long-term storage properties. In addition, the design of the top shell of the balloon and its stress distribution play an important role since only a fraction of the balloon is deployed during the filling operation and the ascent. In this paper we describe the mechanical properties of the ‘ANTRIX’ film developed by us and the optimized design of single cap balloons, which have been successfully used in our experiments over the past 5 years.