表面织构靴底流体动压指尖密封的性能分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinica‘'-Aug252012Vol33No81540-1546ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaaeducn文章编号：1000—6893(2012)08—154007表面织构靴底流体动压指尖密封的性能分析。郎达学，苏华“西北工业大学机电学院，陕西西安710072摘要：表面织构靴底流体动压指尖密封是本文提出的一种新型柔性气体密封。建立了具有圆形微坑表面织构靴底的指尖密封分

2、析模型，采用流固耦合有限元数值计算方法，分析了不同工况和织构结构条件下表面织构靴底流体动压指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征。结果表明具有圆形微坑织构靴底的指尖密封具有较低的泄漏率和较高的气膜承载力，通过与现有典型人字槽流体动压指尖密封和接触式指尖密封的性能对比，进一步说明了表面织构靴底指尖密封的综合性能优势。流体压差对表面织构靴底流体动压指尖密封的性能影响较大；压差较大时，适当增大微坑直径、减小微坑深度、采用均匀分布的微坑结构形式，有利于提高密封性能。本义工作为设计性能良好的指尖密封结构提供了一种新思路

3、。关键词：指尖密封；表面织构靴底；流固耦合；泄漏；气膜承载力中图分类号：V219；TB42文献标识码：A指尖密封是近20年来提出的一种新型柔性气体密封技术，在燃气涡轮机、汽轮机等密封技术中具有重要的应用价值，得到了广泛的关注和研究。按照密封工作状态可将指尖密封分为两大类，即接触式指尖密封和非接触式流体动压指尖密封。由于接触式指尖密封中密封靴与转子表面直接接触，因而泄漏量较小，但是接触磨损严重、寿命较低等问题已成为制约其在高温、高速工况下工作的瓶颈。近年提出的非接触式流体动压指尖密封，借助于柔性的指尖曲梁和转子／低

4、压密封片的动压靴之问形成的流体动压效应，避免了动压靴和转子表面的接触[1]，实现了低磨损、长寿命的使用要求，但其转子表而和密封靴底间存在较大的初始间隙(约25．4肚m)将可能造成较大的泄漏，并且存在气膜形态很难控制的工作稳定性问题。可见密封的泄漏和磨损是设计高性能指尖密封始终面临的一对矛盾问题，因此探求能够实现同步改进密封泄漏和磨损性能的方案显得尤为重要。为有效解决密封的泄漏与接触磨损问题，本文提出一种综合传统接触式和非接触式密封特征的新型指尖密封结构，即表面织构靴底流体动压指尖密封。这种指尖密封的外形采用带动压

5、靴的结构形式，但密封靴与转子问的初始间隙约为非接触式密封的十分之一，且为减少磨损，与转子相接触的靴底表面采用表面织构形式。表面织构，即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和排列形式的微坑或微沟槽，已被证明是改善表面摩擦学特性的一种有效手段[2J，其原理是利用微坑或微沟槽产生的流体动压等润滑效果降低摩擦，提高表面承载力。近年来国内外有关学者对此进行了大量的理论和试验研究[3。8]。研究结果表明，选择合适的表面织构几何参数(深收稿日期：2011—10—25：退修日期：20¨一12—31；录用日期：2012—01—11；网

6、络出版时间：2012—02-0109：42网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V201202010942007hfmI基金项目：陕西省自然科学研究计划(2009JM7002)*通讯作者．Tel．：029—88493929E—mail：huasu@nwpueducn引用格武：LangDX，SuHPerformanceanalys，sofsurfacetexturepaddedfingersealActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，3

7、3(8)：1540．1546郎达学．苏华表面织构靴底流体动压指尖密封昀性能分析航空学报，2012，33(8)：1540—1546郎达学等：表面织构靴底流体动压指尖密封的性能分析度、直径、面积率)【i：『以使织构化表面达到最优的摩擦学性能。在机械零件表面形成有规律的人造表面形貌．可以起到捕捉磨粒面以减少犁沟形成、作为储油器给接触表面提供润滑剂以防止咬合、产生流体动压效应以增加承载能力等作用一㈦。因此，本文提出将织构应用于指尖密封靴部，从而可以大大降低密封与转子间的初始间隙，既能有效降低密封泄漏，又可以借助于靴底织构

8、产生的流体动压效应避免密封磨损，从而为同步改进指尖密封_}l{f漏和磨损性能提供一种新的研究思路。本文以圆形微坑表面织构为例，采用流固耦合有限元方法对表面织构靴底流体动J玉指尖密封的工作状态进行仿真分析，研究工况条件和表面织构结构参数对密封性能的影响，以期为设计‘高性能指尖密封提供有益参考和理沦基础。RiVet．2+1’ailgate：3Lowpressureseal：4