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密封装置性能的优劣会对航空发动机的性能产生显著的影响。同样,航空发动机工作中的复杂的工作环境亦会对所处其中的密封装置性能产生较大的影响。指尖密封作为一种柔性密封,且相较其他密封形式具有较优的性价比,近年来得到了较多的关注和研究。 通过系统地梳理指尖密封的国内外研究现状,可以发现目前有关指尖密封性能研究工作中还存在着些许不足,主要体现在以下三个方面:首先是在指尖密封工作过程中,当指尖梁与转子之间出现间隙时,尚未考虑有压流体作用对指尖密封性能的影响;然后是在进行指尖密封性能分析时,尚未考虑转子倾斜、装配条件、温度效应以及冲击效应的复合工作状态对指尖密封动态性能的影响;最后是有关指尖密封性能试验方面的研究工作还比较欠缺。 针对上述有关指尖密封性能分析中所存在的问题,本文构建了考虑复合工作状态(即综合考虑转子倾斜、装配条件、温度效应以及冲击效应影响)下的指尖密封分布质量等效动力学模型,并采用此模型进行了指尖密封动力学性能分析。最后,通过指尖密封性能试验研究很好地验证了本文所提出的考虑复合工作状态下的指尖密封等效动力学模型的正确性。 本文重点开展了以下几个方面的研究工作,具体如下: (1)通过在UMT多功能摩擦磨损试验机上开展C/C(碳/碳)复合材料摩擦学性能试验,获得了不同滑动速度、接触载荷和纤维取向下,C/C复合材料与钢摩擦副间的摩擦系数,为后续章节中等效动力学模型内摩擦力计算,以及考虑温度效应时指尖梁与转子之间摩擦热计算中摩擦系数的选择提供依据。并通过在Gleeble3500热模拟试验机上开展C/C复合材料冲击性能试验研究,获得了不同冲击速度和温度下,C/C复合材料x、y和z三个方向的应力-应变曲线,然后通过计算获得与之相对应的弹性模量,该研究为后续章节中指尖密封等效动力学模型中指尖梁等效结构刚度的计算提供重要的物性参数。 (2)构建了考虑工作状态(包括转子倾斜、装配条件以及温度效应)的指尖密封分布质量等效动力学模型,并采用此模型研究了单一工作状态(即各自仅考虑转子倾斜、装配条件或者温度效应)对指尖密封动态性能的影响规律。然后对考虑工作状态下钴基合金材料指尖密封和C/C复合材料指尖密封的性能进行了对比分析。 (3)基于Hertz接触理论提出了适用于指尖密封的冲击接触刚度、冲击阻尼、冲击变形量以及冲击变形速度的计算方法;另外,结合本文冲击性能试验获得不同工况条件下C/C复合材料三个方向的应力-应变曲线,然后通过计算获得对应工况下C/C复合材料三个方向的弹性模量,并由此计算出考虑冲击效应下的指尖密封中指尖梁的等效结构刚度,从而构建了考虑冲击效应的指尖密封分布质量等效动力学模型。然后采用此模型重点研究了冲击性能参数(如冲击速度和冲击恢复系数)对指尖密封动态性能的影响规律。 (4)在第3章中建立的复合工作状态下的指尖密封等效动力学模型中计入冲击效应的影响,从而建立了综合考虑转子倾斜、装配条件、温度效应和冲击效应的复合工作状态下的指尖密封分布质量等效动力学模型,并将采用这一模型计算的结果与单一工作状态和由不同单一工作状态组合而成的复合工作状态下的计算结果进行了对比。研究结果表明,复合工作状态下的指尖密封动态性能分析结果更加接近于工程实际。最后,将考虑复合工作状态下的指尖密封分布质量等效动力学模型应用于某型轴承腔中,并将采用此模型计算的结果与相同工况下篦齿密封计算的结果进行了对比,体现出指尖密封性能的优越性。 (5)开展了复合工作状态(即综合考虑转子倾斜、装配条件、温度效应和冲击效应)条件下的指尖密封性能试验研究,并采用与试验中指尖密封相同结构、材料和试验工况条件,开展了复合工作状态(即综合考虑转子倾斜、装配条件、温度效应和冲击效应)条件下的指尖密封动态性能分析。研究结果表明指尖密封试验结果与考虑工作状态下的理论计算结果吻合的比较好。这一试验很好地支持了本文所提出的考虑工作状态下的指尖密封分布质量等效动力学模型的有效性。 (6)总结了本文的主要研究工作,提炼出本文的主要创新点,并对指尖密封未来研究探索的方向进行了展望。 本文研究工作揭示了复合工作状态(即综合考虑转子倾斜、装配条件、温度效应以及冲击效应)对指尖密封性能的影响规律。这一研究不仅有助于指尖密封动态分析技术在其工程分析设计中的实用化,也在一定程度上对指尖密封动力学研究理论体系和方法有所完善。