典型篦齿封严碰磨过程中流动与换热特性研究

摘要

航空发动机在实际使用中会经历启动、慢车、巡航、紧急停车等工况，直接或间接的加剧了运行中的振动现象；同时篦齿封严作为二次流系统重要的一部分，常处于高温环境，热膨胀以及蠕变等通常会造成间隙的减小。因此封严在长时间运行后，会出现不同程度的磨损，泄漏特性发生改变，从而对发动机二次流系统造成影响。本文研究了篦齿封严动静部件发生的碰磨及其对封严泄漏的影响，这对于篦齿封严的设计、运行及维护都有着重要理论意义和实用价值。
　　为了预测磨损过程及其影响，本文首先模拟了直通型篦齿封严在0.15mm间隙下发生偏心、旋转时的流动与换热过程，分析了不同转速、不同偏心度对泄漏以及换热系数的影响。研究结果表明，偏心造成周向间隙不均但不会对整体泄漏造成影响；旋转对泄漏系数以及换热系数的影响分别取决于旋转泰勒数Ta以及泰勒数与雷诺数比值Ta/Re的值，在较高转速12500Rpm下，泄漏系数降低，静子换热系数升高。
　　随后利用ABAQUS软件中的显式动力学模块对钢-铜封严碰磨过程进行模拟，选用Johnson-cook材料失效模型，计算了绝热以及换热情况下不同转速和入侵速度下封严衬套碰磨过程以及型面变化。研究表明：换热情况对碰磨型面的影响相对较弱，转速与入侵速度对型面的影响较大；碰磨过程中的最大法向接触力随转速增大而减小，随入侵速度增大而增大。
　　最后，以三种典型的衬套碰磨凹槽为基础，研究了封严在碰磨前后的性能改变状况。结果显示：在碰磨过程中封严篦齿齿尖不发生改变，只有衬套出现凹槽的情况下，泄漏系数的变化与齿槽形状以及间隙大小有关；三种凹槽中，带塑形变形尖角的衬套效果最好，可有效降低泄漏系数达15％-23%。
　　以上为研究篦齿封严碰磨以及碰磨后的封严性能预估提供了一条较为新颖的模拟途经。

目录

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注释表

第一章 绪论

1.1封严应用背景

1.2国内外封严气动特性研究现状

1.3国内外封严碰磨研究现状

1.4国内外研究现状小结

1.5本文研究内容

第二章 封严流动与换热特性计算方法研究

2.2物理模型建立

2.3网格无关性试验

2.4湍流模型选择

第三章 偏心下封严流动以及换热特性

3.1流动特性数值模拟

3.2静止工况下流动结果分析

3.3旋转工况下流动结果分析

3.4封严换热数值模拟

3.5换热特性结果分析

旋转对换热的影响

3.6本章小结

第四章 封严碰磨模拟方法研究

4.1有限元理论基础

4.2失效模型以及损伤演化

4.3碰磨显式计算关键环节

4.4硬物冲击损伤验证

第五章 封严碰磨计算

5.1封严碰磨物理模型及简化

5.2碰磨中运动边界加载

5.3碰磨中的热边界计算

5.4碰撞磨损模拟结果

绝热条件下不同工况下碰磨结果

5.5本章小结

第六章 封严碰磨后的性能变化

6.2碰磨前封严性能

6.3碰磨后型面的简化以及流场提取

6.4碰磨对封严性能的影响

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.2创新点

7.3不足与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文