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航空发动机石墨圆周密封流固热多场耦合分析研究
陈义1
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摘要
航空发动机有着“工业皇冠上的明珠”的美称，在航空工业领域中占有非常重要的地位。航空发动机的主轴承腔密封性能直接影响到发动机的安全性与可靠性。在接触式石墨圆周密封中，由于密封环的独特结构和材料属性，密封环在工作时微小变形和磨损是不可避免的，最终可能就会造成密封性能减弱。因此本文开展了石墨圆周密封摩擦磨损特性和泄漏特性研究，并对密封压差、温度、转速等工况的影响进行探讨。 首先，开展石墨圆周密封材料配副摩擦磨损试验研究。分析石墨圆周密封接触摩擦磨损过程，选择最常用的摩擦配副材料之一M210石墨和40CrNiMoA，在UMTTribology摩擦磨损试验机上开展标准摩擦磨损试验。依据工作环境和试验条件，确定转速、温度、载荷和时间等参数。在试验中测量并分析了石墨材料的摩擦系数、磨损量、磨损率以及石墨材料磨损形貌。试验结果表明，载荷、转速和温度工况对石墨材料的摩擦磨损性能都有影响，其中载荷的影响最为显著。 其次，建立石墨圆周密封热-固耦合摩擦磨损模型，并对摩擦磨损性能进行研究。分析了石墨圆周密封中主密封的几何结构和摩擦磨损形式，基于Archard磨损理论和摩擦生热理论推导并建立了石墨圆周密封摩擦磨损模型，并且借助APDL编程语言，利用ANSYS仿真软件进行数值模拟计算。分析密封环和跑道接触面的摩擦发热功率和温度变化，分析不同工况下的接触面接触压力和和摩擦应力，分析密封环的磨损规律、磨损深度和磨损分布规律，分析密封环和跑道在不同温度、压差和转速时的最大径向变形。最终得到了关键工况条件的摩擦磨损性能，为深入优化分析奠定基础。 最后，建立石墨圆周密封流-固-热耦合混合润滑模型，并对主/副密封泄漏特性进行研究。分析石墨圆周密封的结构场、温度场和流场，采用半解析求解方法推导并建立了石墨圆周密封混合润滑多场耦合模型，主要包括几何结构模块、流体承载力模块、微凸峰接触力模块和温度传递模块。基于石墨圆周密封多物理场共同边界建立联合控制方程组，通过MATLAB和COMSOL联合求解方程组。在求解流体压力、平衡膜厚基础上建立石墨圆周密封主/副密封摩擦力和泄漏量的计算方法。通过混合润滑模型研究粗糙度、温差、压差、转速等关键工况参数对主/副密封摩擦力、平衡膜厚、泄漏量等泄漏特性的影响，分析得到关键工况参数对石墨圆周密封主/副密封通道泄漏特性的影响规律。结果表明，副密封通道的泄漏量占整个圆周密封的30％-40％，在分析石墨圆周密封泄漏特性时不容忽视。
关键词
航空发动机/石墨圆周密封/摩擦磨损试验/流固热多场耦合/Archard模型/混合润滑模型/主轴承引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
机械工程导师
许威；马玉钦学位年度
2022学位授予单位
西安电子科技大学语种
中文中图分类号
V2