周向收敛型动压式指尖密封的结构优化及其动态性能仿真

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252011V01．32No．2360．367ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000·6893(2011)02—0360-08周向收敛型动压式指尖密封的结构优化及其动态性能仿真王喜春，苏华*，宗兆科西北Z-业大学机电学院，陕西西安710072摘要：周向收敛型动压式指尖密封是一种可用于航空发动机的非接触式柔性气封。根据周向收敛型动压式指尖密封的工作性能

2、要求，提出密封性能优化数学模型。采用人工神经网络和遗传算法相结合的优化方法。通过建立反向传播(BP)神经网络确定设计变量与目标函数之间的隐含关系。再利用遗传算法对周向收敛型动压式指尖密封进行结构参数优化。获得了性能较优的周向收敛型动压式指尖密封结构形式。通过对具有优化结构的密封在转子启动工作阶段和转子受到周期性径向激励情况下的流固耦合动态性能仿真，验证了周向收敛型动压式指尖密封优化结果的有效性。本文工作可为设计性能良好的周向收敛型动压式指尖密封提供一定的理论依据。关键词：周向收敛动压式指尖密封；遗传优化算法；流固耦合；结构优化；动态仿真中

3、围分类号：THl22；TB42文献标识码：A动压式指尖密封是近年来提出的一种新型非接触式柔性气体轴封。在转子旋转时，动压式指尖密封借助于柔性的指尖曲梁和转子／低压密封片的动压靴之间形成的流体动压效应，避免了动压靴和转子表面的接触，并且只要合理地控制流体膜厚度，就可以将流体泄漏量控制在允许的较小范围内[1]，从而满足低(零)磨损、低泄漏、长寿命的使用要求。动压式指尖密封的这些优良特点使得其在燃气涡轮机、汽轮机等密封中具有重要的应用价值，因而近年来受到了广泛的关注和研究。Marie利用动力学仿真得出流体刚度系数和指尖密封结构刚度系数与密封结构

4、、工况参数之间的关系，并依此建立了等效动力学模型[21；王旭等用FLUNET流体分析计算软件进行了流体动压指尖密封泄漏数值仿真计算，分析了流体膜厚度和压差等因素对流体动压密封泄漏量的影响[33；马晓林等基于等效动力学模型分析了动压型指尖密封的动态泄漏性能[4]。但上述工作均研究的是某给定结构尺寸下密封的泄漏流动状态，至于密封结构尺寸的获得方法却不得而知，因此无法适用于其他工作条件；且针对密封的动态特性分析也是基于简化动力学模型开展的，因而与密封的实际工作情况存在一定差距。目前国内外针对动压式指尖密封结构设计工作大多集中在动压靴的结构上，通

5、过遴选几种动压靴结构来对比其性能特点，针对动压式指尖密封的整体结构优化尚未见诸报道。而密封的工作性能不仅与动压靴结构有关，而且与柔性指尖曲梁的结构也有很大关系。因此，开展动压式指尖密封的整体结构优化设计对于获得满足使用工况要求、具有优良性能的密封结构形式十分必要。本文以周向收敛型动压式指尖密封为例，全面收稿日期：2010．05．14；退修日期：2010．06-17；录用日期：2010·07．26；网络出版时闻：2010-11-1518：34网络出版地址：www．cmki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101115

6、．1834．002．htmlDOl：CNKI：11-1929／V．20101115．1834．002基金项目：陕西省自然科学基金(2009JM7002)*通讯作者．Tel．：029-88493929E-mail：huasu@nwpu．edu．∞飘甩格式l王喜春．苏华．宗兆科．周向收敛型动压式指尖密封的结构诧亿及其动态性能仿真[J]．航空学报。2011．32t2)：360一367．WangXichun，SuHua．ZongZhaoke．Structuraloptimizationanddynamicsimulationofcircumfer

7、entialconvergenthydrodynamicfingersea／￡J]．ActaAeronauticaetAstronautica_Sinica．20¨。32(2)：360-367．{##*t月自＆#g自Ⅸ《☆*《目∞镕#Rm＆#自≈＆*∞，考虑动压靴结构叁敫与指尖粱结构参数对密封性能的影响．对周向收敛型动压式指尖密封进行结构参教优化设计．并针对秘压型指失密封形成动压效应的启动阶段和转子受到周期性径向激励时密封结构与流场之

8、可的耦合作用进行敖值仿真．分析密封的动态工作状态，以此来验证优化结果的有效性。l周向收敛型动压式指尖密封

9、的结构周向收敛型动压式指尖密封由带动压靴的低压密封片和无动压靴的高压密封片交错叠置而成．并由前后挡板央持、通过铆钉固连在一起，如图1所示。当转子高速旋转时．动压靴底的收敛型结构使指生靴与转子之