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.      

反转轴间气膜密封动特性分析

用有限元法计算了双端面期末密封两端面的气膜刚度和阻尼,分析了密封跑道质量和主密封环质量对气膜刚度和阻尼的影响,并对瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程进行了讨论.结果表明:膜厚对气膜刚度和阻尼影响较大,在膜厚小于5μm下尤为明显;系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同环道质量比对系统振动的收敛时间影响不大.     

高速气膜镶装式浮环密封的开启特性

针对应用于航空发动机的高速气膜镶装式浮环密封, 探究密封在不同结构参数、启动方式、材料结合等多因素下的开启性能。建立镶装环-石墨环-跑道的固体域模型和气膜流体域模型, 得到了工作气膜厚度、气膜流场压力分布；计算密封受力, 得到了密封上浮力、闭合力和开启转速等密封开启性能参数。分析镶装环与石墨环的厚度比和宽度比、镶装环-石墨环配对材料、镶装环-跑道配对材料等因素对密封开启转速的影响。搭建浮环密封试验台和浮环位移监测系统, 通过试验验证了数值模拟结果。研究结果表明:浮环的镶装结构能有效改善升温时石墨环与跑道间隙减小而导致密封失效的问题；镶装环材料是影响密封开启性能的敏感参数, 密封开启性能随材料线膨胀系数的升高而快速降低；镶装环与跑道的材料配对情况是影响密封开启性能的重要因素, 镶装环与跑道材料相同时, 石墨环与跑道处于“恒间隙”状态, 在复杂温度工况下密封的开启性能更加稳定；不同的工作机组启动方式对密封开启性能影响较大, 发动机采用将转速增加至工况转速再增压的启动方式时密封开启性能最好；浮环密封在高转速、高压力工况下因转速、压力变化产生的密封扰动值更大, 浮环密封应避免在较高压力和转速下长时间调节工况参数。研究结果为航空发动机镶装式浮环密封的结构设计、材料选用、系统设计的研究提供了参考。      

金属橡胶颗粒静态特性试验

针对目前航空航天领域板壳结构较多,其模态成分密集、振动复杂等问题,提出了一种可用于各种复杂结构振动抑制的新型金属橡胶构件——金属橡胶颗粒.为了解及掌握这种新型金属橡胶构件的性能和设计规律,开展了有关金属橡胶颗粒的静态性能试验研究.通过试验测量了金属橡胶颗粒的静态迟滞回线,获得了金属橡胶颗粒的刚度和阻尼的范围.通过对比不同参数下的刚度和阻尼的试验结果,总结材料参数(丝材、螺旋卷和相对密度)和工艺参数(变形量和安装密度)等对金属橡胶颗粒的刚度特性和阻尼性能的影响规律.金属橡胶颗粒静态特性试验研究为金属橡胶颗粒的设计和工程应用奠定了基础.     

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。      

金属橡胶刚度阻尼模型理论分析

针对金属橡胶构件加工工艺特点,以金属丝螺旋卷为金属橡胶构件的微元体结构.根据金属丝螺旋卷之间不同的接触状态,以圆柱压缩螺旋弹簧理论为基础,基于材料力学和库仑摩擦模型,考虑摩擦力的影响,建立金属丝螺旋卷微元体结构的力学模型.通过对微元体接触状态和接触对数目的分析,从理论上解释了金属橡胶的非线性刚度及阻尼产生的机理.该模型从细观的金属丝螺旋卷微元体上描述了金属橡胶迟滞特性的物理本质,为预测和分析金属橡胶的刚度、阻尼特性和设计金属橡胶构件提供了有效的理论基础.      

SMA拟橡胶金属阻尼元件及其在减振中的应用

利用形状记忆合金(SMA,Shape Memory Alloys)的超弹性特性,借鉴拟橡胶金属阻尼材料的制作工艺,研制了超弹性SMA拟橡胶金属阻尼元件;在此基础上,设计了SMA减振器.试验表明:引入SMA后,拟橡胶金属减振器的可恢复变形,阻尼特性都有很大的提高;而拟橡胶金属的构造方式,又使得减振器具有很大的承载能力.上述特性使得该减振器对于宽频带随机载荷有很好的减振效果.     

陀螺组件结构动态特性分析和减振设计

针对惯性姿态敏感器陀螺组件结构设计中出现的随机振动响应量级过大的问题进行分析研究.建立了陀螺组件结构的动力学模型,通过安装金属橡胶减振器并在结构中合理布置高阻尼比的阻尼材料综合解决陀螺头部振动响应过大的问题.对结构设计方案进行数值仿真和振动试验,结果表明,金属橡胶减振器和约束阻尼结构的应用能有效降低陀螺头部的高频响应,保证了陀螺仪在发射段环境条件下的可靠性.     

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。     

自适应挤压油膜阻尼器减振机理理论研究

研究了带金属橡胶环自适应挤压油膜阻尼器ASFD/MRR(Adaptive Squeeze Film Damper with Metal Rubber outer-Ring)的减振机理,以ASFD/MRR和转子轴颈的受力分析和运动分析为基础,从N-S方程、流体连续方程出发,推导了ASFD/MRR的雷诺方程并求解了油膜压力场.对比ASFD/MRR和挤压油膜阻尼器SFD减振机理的特点,指出SFD仅是ASFD/MRR的特殊形式,ASFD/MRR具有抑制双稳态跳跃等非线性振动的能力,适用于更大的不平衡量范围.     

基于有限元素法的挤压油膜动力特性研究

挤压油膜阻尼器(SFD,Squeeze Film Dumpers)因减振效果显著,目前广泛应用于航空发动机等高速旋转机械中.在基于雷诺方程的短轴承近似解或长轴承近似解基础上,提出了求解带挤压油膜阻尼器的转子支承系统稳态动力特性的有限元挤压油膜计算方法,该方法能有效地模拟转子系统在各种工作条件下的油膜力模型.为了验证上述理论分析结果,用有限元法计算了带挤压油膜阻尼器转子系统的油膜压力分布和油膜阻尼,分析中还考虑了油膜惯性力的影响.通过对某发动机转子支承系统的模拟计算,并与试验结果进行对比分析,证明给出的系统动力特性计算方法及性能分析结果可用于工程实际.     

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。