摘要
圆周石墨密封作为防止轴承腔滑油泄漏的核心装置，是发动机上的重要组成部分，极大地影响了发动机的使用性能和使用寿命。随着工业的发展，对发动机运行参数提出了更高的要求，密封的工作环境也日益恶劣，改进及研发先进密封技术已成为提高发动机性能水平及使用寿命的主要措施之一，因此开展圆周石墨密封的机理研究及性能分析具有重要的意义。针对某单级圆周石墨密封装置，首先分析了密封的受力情况，建立了符合其实际运行工况的计算模型，利用ANSYSWorkbench软件对不同工况下的密封装置进行了热固耦合分析；其次针对主密封间隙流场，提出了当量气膜和偏心气膜两种模型对密封的泄漏做了研究，通过设计额外动压槽的方式提升了密封的开启力，最后编写了圆周石墨密封装置的性能分析软件。 对单级圆周石墨密封装置进行了受力分析，计算得到了密封环不平衡载荷以及密封装置摩擦热的大小，为后续耦合分析中结构边界、热边界条件的施加提供了理论基础；对圆周石墨密封的动压效应原理进行了分析，找到了影响动压力的主要参数，为后续的开启力优化奠定了理论基础。 为了确定冷却滑油换热的边界条件，基于两相流模型，对两种不同滑油喷射方式下油相体积在转动体U形腔体中的运动进行了跟踪，研究发现该密封装置不同喷射方式下形成的冷却油膜均能铺满转动体外环内壁面，差异主要在于入口油相与壁面接触的位置不同，导致了不同的滑油运动方式，经过分析发现，喷油方案I-65°为最佳。在最佳喷油方式下进行结构分析及热分析发现密封装置在静止状态下的应力、变形均处于较低水平，最高温度出现在主密封面近气腔侧。热固耦合的研究结果表明：工作状态下，温度载荷对密封装置的应力及变形的影响不容忽视，由于离心力的作用加之温差引起的较大热应力使得密封装置最大等效应力出现在转动体上；主密封面处密封环与跑道间形成了沿+z方向逐渐增大的发散型间隙，辅助密封面处除搭接口外其他区域均处于接触状态，而在搭接口附近形成了沿-y方向逐渐减小的收敛型间隙。随着转速、压差、拉伸弹簧力、压缩弹簧力、气腔温度、轴承腔温度增大，密封环最高温度、主密封面最大间隙、辅助密封面最大间隙以及跑道最大等效应力也增大。 针对主密封面间隙流场，提出了当量膜厚及偏心膜厚两种模型对密封泄漏进行研究，通过与试验值对比，发现偏心气膜模型误差更小。流场的压力分布结果表明，密封主要依靠主密封面凸缘节流间隙和搭接口节流间隙的降压效果实现封严作用，主密封面凸缘节流间隙越大，密封的泄漏量越低；设计额外动压槽可以提高密封环的开启力，减不平衡载荷降低磨损，模拟结果表明：楔形槽对开启力的提升效果一般，瑞利阶梯槽效果较好。 基于论文的研究内容开发了具有图形操作界面的圆周石墨密封性能分析软件，可以实现接触载荷及摩擦热计算、自动数值模拟等功能。
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