CN102155269B - 航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法及气膜密封阻尼结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法以及气膜密封阻尼结构，本发明在气膜密封阻尼结构设计中应用N-S方程和流体连续方程化简得到描述气体速度V＝{x_v，y_v，z_v}、气膜厚度h、气膜压力p、气体动力粘度μ和气体密度ρ的雷诺方程；然后根据气膜径向力P_r和气膜周向力P_t得到金属橡胶刚度MRK；最后依据MRK与三维绘图软件相结合对金属橡胶环(3)进行建模，依据转子半径R_j和初始厚度C对浮动环(4)进行建模，最终得到与发动机转子系统相匹配的气膜密封阻尼结构。本发明的气膜密封阻尼结构在气膜力的作用下可自动调节气膜间隙，打破了传统的非接触式封严装置密封间隙固定不可调的定式，减小转子(1)、静子(2)之间碰摩发生的可能性；采用动压气膜与金属橡胶环(3)共同作用，能够有效抑制转子系统的振动。

Description

航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法及气膜密封阻尼结构

技术领域

本发明涉及一种密封阻尼结构件，更特别地说，是指一种用于航空发动机转子系统的气膜密封阻尼结构件。

背景技术

以航空发动机为代表的高速旋转流体机械转子系统中，需要多达几十处的流体动密封。如压气机出口、涡轮入口、级间和轴承腔，以及转子叶尖处的密封。流体动密封工作性能的好坏直接影响着航空发动机的总体性能，包括效率、推重比、耗油率、可靠性和经济性等。先进的封严装置不仅可以降低耗油率，而且能够减缓发动机性能衰退，降低涡轮前温度，提高热端部件和止推轴承的寿命，减轻发动机的重量等。因此可以说，密封设计技术的改进具有明显的技术和经济价值与意义。

现代航空发动机追求高转速、高增压比、高涡轮前温度等较高的性能参数，这使得传统封严装置的工作条件日趋恶劣，对航空发动机的效率，可靠性，稳定性及寿命和维护性都有产生了重大的影响。以篦齿封严为代表的非接触式封严是航空发动机和其他高速旋转机械中被广泛使用的封严装置。在《航空制造技术》2008年第8期的“航空发动机封严技术的研究和应用进展”的图1和图2中介绍了多种篦齿封严结构。篦齿封严的静子为刚性，在转子运转过程中间隙固定不可调，若间隙过大，则封严效果不佳，导致发动机整体性能下降；若间隙较小，由于发动机在频繁起停车、机动载荷和离心载荷作用下引起的较大径向振动，使转子与静子之间较容易发生碰摩，导致转子系统失稳。可见，在现有技术条件下，提高封严效果和防止转静子间碰摩表现出了不可调和的矛盾。因此，采用新型封严技术来减少发动机漏气损失、增大发动机推力、减少发动机耗油率、提高发动机效率是十分必要和迫切的。

航空发动机等高速旋转机械的振动问题是影响发动机稳定可靠工作的主要因素之一。现代航空发动机向高转速，高推重比，高可靠性的方向发展。一方面，由于转子系统的转速较高，当转子转速接近或通过临界转速时，转子系统会产生较大的振动。另一方面，由于材料上大量采用高新材料及复合材料，结构上广泛应用薄壁、板壳和空心结构，这些改进均对发动机系统的结构强度和振动控制提出了更高的要求。因此，需要在发动机中加入更多有效的阻尼减振结构来抑制转子系统的振动。

发明内容

本发明的目的是提出一种带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构，是以金属橡胶作为弹性外环，内环为一种刚性浮动环，能够在工作过程中绕结构的中心进动而不转动；该结构的基本工作机理是：气流从密封阻尼结构一侧进入，在弹性外环和转子之间形成一层动压润滑气膜。转子在不平衡力的作用下作用于气膜，由于偏心旋转的楔形效应和进动挤压效应产生气膜力，施加在浮动环上，使浮动环产生径向偏移，从而挤压金属橡胶弹性外环，使其发生变形，一方面自动调节了气膜间隙，减小转、静子间碰摩发生的可能性；另一方面产生有效阻尼，吸收了转子的振动能量。转子-气膜-金属橡胶弹性外环三者构成一个流固耦合系统。弹性外环与气膜不仅能对转子产生阻尼作用，而且浮动环与转子之间的小间隙动压气膜能够有效阻止气体的轴向泄漏，因此该结构具有密封和阻尼的双重作用。

本发明的一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法，该气膜密封阻尼结构的设计包括有下列步骤：

步骤一：获取气膜密封阻尼结构的雷诺方程

通过化简N-S方程和流体连续方程，得到描述气体速度V＝{x_v，y_v，z_v}、气膜厚度h、气膜压力p、气体动力粘度μ、气体密度ρ的的气膜密封阻尼结构的雷诺方程

$\frac{\∂}{R_j^2\∂\mathrm{\θ}}\left(p{h}^3\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂A_z}\left({\mathrm{ph}}^3\frac{\∂p}{\∂A_z}\right)=6\mathrm{\μ}(\mathrm{\ω}-2\mathrm{\Ω})\frac{\∂\left(\mathrm{ph}\right)}{\∂\mathrm{\θ}};$

步骤二：将航空发动机转子系统的工作参数WRD(p_in，p_out，ω，Ω)和结构参数FRD(R_j，C，μ，H₄)代入雷诺方程中，求解得到气膜径向力P_r和气膜周向力P_t；

$P_r={\∫}_{-H_4/2}^{H_4/2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}(p-p_a)\cos \mathrm{\θ}\×R_j\×\mathrm{d\θ}\×d{A}_z;$

$P_t={\∫}_{-H_4/2}^{H_4/2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}(p-p_a)\sin \mathrm{\θ}\×R_j\×\mathrm{d\θ}\×{\mathrm{dA}}_z;$

步骤三：在考虑航空发动机转子系统运转时转子的最大径向振动ε_max的前提下，依据浮动环的力学平衡关系

且F_k＝MRK×e_b，F_d＝d_MR×e_b×Ω，得到金属橡胶刚度MRK；

步骤四：依据金属橡胶刚度MRK采用三维绘图软件进行金属橡胶环构形，得到金属橡胶环的三维构形；

所述金属橡胶环3的厚度记为D₃毫米，金属橡胶环3的高度记为H₃毫米，金属橡胶环3的无量纲相对密度记为ρ₃，是金属橡胶环的密度与金属丝密度的比值，金属橡胶环3的内环半径记为R_3内毫米，外环半径记为R_3外毫米

步骤五：依据航空发动机转子系统中的转子半径R_j，以及转子与浮动环之间间隙的初始厚度C(C＝3～13μm)，能够获得浮动环的三维构形；

所述浮动环4的厚度记为D₄毫米，浮动环4的高度记为H₄毫米。浮动环4的内半径记为D_4内毫米。

本发明气膜密封阻尼结构的优点在于：

①金属橡胶3刚度可设计，可根据实际工况条件选取金属橡胶刚度，使结构具有良好的密封和阻尼效果。

②采用金属橡胶3作为弹性外环，在气膜力的作用下可自动调节气膜间隙，打破了传统的非接触式封严装置密封间隙固定不可调的定式，减小转子1、静子2间碰摩发生的可能性。

③采用金属橡胶3这种新型的结构阻尼材料作为弹性外环，有效地增大了结构中的阻尼，对转子系统的振动起到抑制作用。

④结构形式灵活，可根据具体应用选用相匹配的结构。

⑤提出将气膜密封技术应用于航空发动机转子系统的流体动密封结构的设计，能有效地改善密封效果，进而提高航空发动机的总体性能。

附图说明

图1是将本发明气膜密封阻尼结构与转子、静子装配好的结构图。

图1A是图1的分解图。

图2是转子与浮动环之间存在间隙的平面示意图。

图3是气膜密封阻尼结构的运转示意图。

图4是直通式篦齿封严结构示意图。

图5是本发明气膜密封阻尼结构与直通式篦齿封严结构的泄漏量随进口压力变化曲线。

图中：1.转子       100.间隙       1A.转子轴颈初始位置1B.转子轴颈运转位置    2.静子         3.金属橡胶环    4.浮动环4A.浮动环初始位置      4B.浮动环运转位置

具体实施方式

参见图1、图1A所示，本发明在设计时，航空发动机转子1和静子2之间存在有间隙100(参见图2所示，转子与浮动环之间间隙的初始厚度记为C)，若间隙100过大，则封严效果不佳；若间隙100较小，则转子1与静子2之间较容易发生碰摩。在气膜密封阻尼结构件运转过程中该间隙100即动压气膜。为了使转子1在偏心运转情况下自适应地调节转子1与浮动环4之间的气膜间隙，本发明需对金属橡胶弹性外环的刚度进行优化。

航空发动机转子系统运转时，气膜密封阻尼结构的运动情况如图3所示。在图中，二维固定坐标系x-y经旋转角度φ后记为旋转坐标系r-t，转子轴颈在运转前的位置记为初始位置1A，运转时的位置记为运转位置1B；浮动环在运转前的位置记为初始位置4A，运转时的位置记为运转位置4B；气膜密封阻尼结构在稳态运转时，转子轴颈绕转子中心点o_j转动，则转动角速度为ω；与此同时，转子轴颈中心点o_j和浮动环中心点o_b绕二维固定坐标系x-y的中心点o进动，则进动角速度为Ω；气膜厚度h从最大至最小开始转的角度，即周向角θ；浮动环中心点o_b与二维固定坐标系x-y的中心点o的连线(记为o o_b线段)，所述o o_b线段与二维固定坐标系x-y的x轴之间的夹角，即浮动环周向角φ_b；转子中心点o_j与二维固定坐标系x-y的中心点o的连线(记为o o_j线段)，所述o o_j线段与二维固定坐标系x-y的x轴之间的夹角，即轴颈周向角φ_j。所述的旋转角度φ也称为轴颈相对浮动环周向角。

本发明的一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法，该气膜密封阻尼结构的设计包括有下列步骤：

步骤一：获取气膜密封阻尼结构的雷诺方程

通过化简N-S方程和流体连续方程，得到描述气体速度V＝{x_v，y_v，z_v}、气膜厚度h、气膜压力p、气体动力粘度μ、气体密度ρ的气膜密封阻尼结构的雷诺方程

所述的流体速度V＝{x_v，y_v，z_v}中x_v表示流体在X轴方向上的速度，y_v表示流体在Y轴方向上的速度，z_v表示流体在Z轴方向上的速度。

所述的化简N-S方程和流体连续方程在《摩擦学基础》第39、40、47、48和49页中有详细的说明。《摩擦学基础》陈燕生主编，1991年6月第一版。

该方程中各个字母的物理意义为：

表示偏导数；

R_j表示转子半径；

h表示气膜厚度；

θ表示与h最大时关联的周向角；

p表示气膜压力；

μ表示气体动力粘度；

ω表示转子转动速度；

Ω表示转子进动速度；

表示θ的偏导数；

表示轴向z上的任意点A_z的偏导数；

表示对p求θ的偏导数；

表示对p求A_z的偏导数；

表示对ph求θ的偏导数；

步骤二：将航空发动机转子系统的工作参数WRD(p_in，p_out，ω，Ω)和结构参数FRD(R_i，C，μ，H₄)代入雷诺方程中，求解得到气膜径向力P_r和气膜周向力P_t；

$P_r={\∫}_{-H_4/2}^{H_4/2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}(p-p_a)\cos \mathrm{\θ}\×R_j\×\mathrm{d\θ}\×d{A}_z;$

$P_t={\∫}_{-H_4/2}^{H_4/2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}(p-p_a)\sin \mathrm{\θ}\×R_j\×\mathrm{d\θ}\×{\mathrm{dA}}_z;$

p_in表示气膜密封阻尼结构的进口压力，单位为Pa；

p_out表示气膜密封阻尼结构的出口压力，单位为Pa；

R_j表示转子半径，单位为mm；

C表示转子与浮动环之间间隙的初始厚度，单位为mm；

μ表示气体动力粘度，单位为Pa·s；

H₄表示浮动环的高度，也是气膜密封阻尼结构的有效长度，单位为mm；

P_a表示一个标准大气压，单位为Pa；

θ表示与h最大时关联的周向角；

dθ表示周向角的微分；

dA_z表示轴向z上的任意点A_z的微分；

步骤三：在考虑航空发动机转子系统运转时转子的最大径向振动ε_max的前提下，依据浮动环的力学平衡关系

且F_k＝MRK×e_b，F_d＝d_MR×e_b×Ω，得到金属橡胶刚度MRK；

φ表示轴颈相对浮动环的周向角；

φ_b表示浮动环的周向角；

MRK表示金属橡胶的刚度，单位为N/m；

e_b表示浮动环的偏心距，单位为mm；

d_MR表示金属橡胶的阻尼系数，单位为N·s/m；

Ω表示转子进动速度，单位为转每分r/min；

步骤四：依据金属橡胶刚度MRK采用三维绘图软件进行金属橡胶环构形，得到金属橡胶环的三维构形；

所述金属橡胶环3的厚度记为D₃毫米，金属橡胶环3的高度记为H₃毫米，金属橡胶环3的无量纲相对密度记为ρ₃，是金属橡胶环的密度与金属丝密度的比值，金属橡胶环3的内环半径记为R_3内毫米，外环半径记为R_3外毫米

步骤五：依据航空发动机转子系统中的转子半径R_j，以及转子与浮动环之间间隙的初始厚度C(C＝3～13μm)，能够获得浮动环的三维构形；

所述浮动环4的厚度记为D₄毫米，浮动环4的高度记为H₄毫米。浮动环4的内半径记为R_4内毫米。

参见图1、图1A、图2所示，本发明依据气膜密封阻尼结构设计方法得到的气膜密封阻尼结构，该结构由金属橡胶环3和浮动环4构成，金属橡胶环3置于静子2内，金属橡胶环3内套接有浮动环4，浮动环4内活动放置有转子1，浮动环4与转子1之间有间隙100，该间隙100的距离为气膜厚度h。

(一)金属橡胶环3

金属橡胶环3是与静子2构形相同的结构，一般为环形(即圆环)。

金属橡胶环3的厚度记为D₃，金属橡胶环3的高度记为H₃。

(二)浮动环4

浮动环4是与转子1构形相同的结构，一般为环形(即圆环)。

浮动环4的厚度记为D₄，浮动环4的高度记为H₄。

本发明设计的气膜密封阻尼结构，需对金属橡胶所需的刚度进行设计，为了保证在运转过程中既不发生碰摩又能保证稳定的动压气膜润滑，下面是气膜密封阻尼结构的工作机理。

本发明设计的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构，采用金属橡胶作为弹性外环，内环为刚性浮动环(图1、图1A、图2)，能够在工作过程中绕结构轴向中心线发生进动。该结构的基本工作机理是：气流从本发明气膜密封阻尼结构一侧进入，在浮动环4和转子1之间形成一层动压润滑气膜。在发动机转子运转过程中，转子1在不平衡力的作用下作用于气膜，由于偏心旋转的楔形效应和进动挤压效应产生气膜力，施加在浮动环4上，使浮动环4产生径向偏移，从而挤压金属橡胶弹性外环3，使其发生变形，如图3所示。金属橡胶在气膜力的作用下发生变形，一方面自动调节了气膜间隙，减小转、静子间碰摩发生的可能性；另一方面产生有效阻尼，吸收了转子的振动能量。转子-气膜-金属橡胶弹性外环三者构成一个流固耦合系统。弹性外环与气膜不仅能对转子产生阻尼作用，而且弹性外环与转子之间的小间隙动压气膜能够有效阻止气体的轴向泄漏，因此该结构具有密封和阻尼的双重作用。

本发明提供的一种新型带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构，作为现代追求高性能航空发动机转子系统的流体动密封，它不仅具有良好的封严效果，提高结构中各元件的工作寿命，而且能够在大振位移下自适应地调节密封气膜间隙，避免转静子之间碰摩的发生，同时可有效地抑制发动机的振动，保证转子系统可靠稳定运行，从而满足日益提高的、对航空发动机整体性能的要求。在此基础上，通过理论分析和试验验证，形成一套该结构的设计方法，作为工程尝试应用的基础。

对比实施例：

篦齿封严是航空发动机中广泛使用的一种非接触式密封结构，其设计技术已基本成熟，篦齿封严泄漏的计算也形成了一种较为近似的计算方法。在此采用航空发动机设计手册(第12册传动及润滑系统)提供的半经验公式计算给定结构参数条件下直通式篦齿封严的泄漏量Q_sl，并与本发明气膜密封阻尼结构的泄漏量Q_new进行对比。

直通式篦齿封严结构示意图如4所示(图中纵坐标质量泄漏量Q代表着Q_sl和Q_new的泄漏量多少，“■”表示直通式篦齿封严的泄漏量Q_sl，“●”表示本发明气膜密封阻尼结构的泄漏量Q_new)，现选用篦齿封严的结构参数如下：间隙C＝0.2mm，齿距B＝2mm，齿尖厚度a＝0.2mm，齿高H＝2mm，齿数为4，密封直径D＝100mm。

本发明气膜密封阻尼结构的参数如下：间隙C＝13×10^-6mm，密封半径R_j＝50mm(2R_i＝D)。

本发明气膜密封阻尼结构与直通式篦齿封严质量泄漏量的随进口压力变化曲线。从图中可知，气膜密封阻尼结构的泄漏量Q_new与在选定参数下直通式篦齿封严的泄漏量Q_sl相比大大降低，在最大的进口压力

下，

Q_new的泄漏量约为篦齿封严Q_sl的1/600。此外，直通式篦齿封严的泄漏量Q_sl随进口压力的增加基本呈线性增大，其增长率远远高于本发明气膜密封阻尼结构的泄漏，在较大的进口压力下，泄漏量很大，这是工程中需要极力避免的，而本发明气膜密封阻尼结构在高进出口压差下的封严效果尤为突出。篦齿封严装置的间隙设计必须保证转子系统运转时的最大工作径向偏移，这也是篦齿封严相对小间隙动压气膜密封泄漏量大的一个原因。而本发明气膜密封阻尼结构不仅可以利用小间隙的动压气膜限制气体轴向泄漏，而且由于弹性外环的存在，在运转过程中能够自适应地调节转子轴颈与浮动环的间隙，避免碰摩的发生。因此，采用小间隙动压气膜密封的本发明气膜密封阻尼结构具有良好的密封效果，能够满足航空发动机中高进出口压比下封严的需要。

Claims (4)

1.一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法，其特征在于：该气膜密封阻尼结构的设计包括有下列步骤：

步骤一：获取气膜密封阻尼结构的雷诺方程

通过化简N-S方程和流体连续方程，得到描述气膜厚度h、气膜压力p、气体动力粘度μ的气膜密封阻尼结构的雷诺方程 $\frac{\∂}{R_j^2\∂\mathrm{\θ}}\left({\mathrm{ph}}^3\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂A_z}\left({\mathrm{ph}}^3\frac{\∂p}{\∂A_z}\right)=6\mathrm{\μ}(\mathrm{\ω}-2\mathrm{\Ω})\frac{\∂\left(\mathrm{ph}\right)}{\∂\mathrm{\θ}},$ 其中，

表示偏导数；R_j表示转子半径；h表示气膜厚度；θ表示与h最大时关联的周向角；p表示气膜压力；μ表示气体动力粘度；ω表示转子转动速度；Ω表示转子进动速度；

表示θ的偏导数；表示轴向z上的任意点A_z的偏导数；

表示对p求θ的偏导数；表示对p求A_z的偏导数；表示对ph求θ的偏导数；

步骤二：将航空发动机转子系统的工作参数WRD(p_in，p_out，ω，Ω)和结构参数FRD(R_j,C,μ，H₄)代入雷诺方程中，求解得到气膜径向力P_r和气膜周向力P_t；

$P_r={\∫}_{-H_4/2}^{H_4/2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}(p-p_a)\cos \mathrm{\θ}\×R_j\×\mathrm{d\θ}\×{\mathrm{dA}}_z;$

$P_t={\∫}_{-H_4/2}^{H_4/2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}(p-p_a)\sin \mathrm{\θ}\×R_j\×\mathrm{d\θ}\×{\mathrm{dA}}_z;$

p_in表示气膜密封阻尼结构的进口压力；

p_out表示气膜密封阻尼结构的出口压力；

R_j表示转子半径；

C表示转子与浮动环之间间隙的初始厚度；

μ表示气体动力粘度；

H₄表示浮动环的高度，也是气膜密封阻尼结构的有效长度；

p_a表示一个标准大气压；

θ表示与h最大时关联的周向角；

dθ表示周向角的微分；

dA_z表示轴向z上的任意点A_z的微分；

步骤三：在考虑航空发动机转子系统运转时转子的最大径向振动ε_max的前提下，依据浮动环的力学平衡关系 $\left\{\begin{array}{c}{P}_r\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_b)-P_t\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_b)=F_k\\ P_r\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_b)+P_t\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_b)=F_d\end{array}\right.,$ 且F_k＝MRK×e_b，

F_d＝d_MR×e_b×Ω，得到金属橡胶刚度MRK；

φ表示轴颈相对浮动环的周向角；

φ_b表示浮动环的周向角；

MRK表示金属橡胶的刚度；

e_b表示浮动环的偏心距；

d_MR表示金属橡胶的阻尼系数；

Ω表示转子进动速度；

步骤四：依据金属橡胶刚度MRK采用三维绘图软件进行金属橡胶环构形，得到金属橡胶环的三维构形；

所述金属橡胶环（3）的厚度记为D₃毫米，金属橡胶环（3）的高度记为H₃毫米，金属橡胶环（3）的无量纲相对密度记为ρ₃，是金属橡胶环的密度与金属丝密度的比值，金属橡胶环（3）的内环半径记为R_3内毫米，外环半径记为R_3外毫米

步骤五：依据航空发动机转子系统中的转子半径R_j，以及转子与浮动环之间间隙的初始厚度C，且C＝3～13μm，能够获得浮动环的三维构形；

所述浮动环（4）的厚度记为D₄毫米，浮动环（4）的高度记为H₄毫米；浮动环（4）的内半径记为R_4内毫米。

2.一种根据权利要求1所述的航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法获得的气膜密封阻尼结构，其特征在于：该气膜密封阻尼结构由金属橡胶环（3）和浮动环（4）构成，金属橡胶环（3）置于静子（2）内，金属橡胶环（3）内套接有浮动环（4），浮动环（4）内活动放置有转子（1），浮动环（4）与转子（1）之间有间隙（100）。

3.根据权利要求2所述的气膜密封阻尼结构，其特征在于：在旋转坐标系r-t下径向r方向尺寸关系满足R_j+C＝R_4内，R_4内+D₄＝R_3内，R_3内+D₃＝R_3外。

4.根据权利要求2所述的气膜密封阻尼结构，其特征在于：气膜密封阻尼结构在轴向z方向尺寸关系满足H₃≤H₄。

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