圓弧型線指尖密封結構的形成方法和遲滯性能分析

白花蕾

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

圓弧型線指尖密封結構的形成方法和遲滯性能分析

白花蕾

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

對圓弧型線指尖密封結構的形成方式進行了分析和研究，在此基礎上采用有限元技術對圓弧型線指尖密封結構的遲滯性能進行了計算分析。計算結果表明:在相同的展開角范圍內，2種圓弧型線指尖密封結構的遲滯性能要優于對數螺線指尖密封結構的遲滯性能，圓弧型線弧長較短的指尖密封結構的遲滯性表現更優。

指尖密封；圓弧型線；遲滯性能；航空發動機；對數螺線；對數螺線

0 引言

指尖密封是繼篦齒密封和刷式密封之后發展起來的1種新型密封技術，相比于后二者具有相對優良的密封特性和較低的制造成本。

NASA的Glenn研究中心等機構對指尖密封技術進行了較多研究[1-4]，擬將其應用于下一代先進航空發動機中。該技術在國外已經獲得多項專利[5-8]，可應用于發動機高壓腔與低壓腔之間的靜態和動態氣路和主軸承腔的密封。近年來國內對指尖密封技術也開展了研究，陳國定等主要研究了指尖密封結構的強度問題[9-11]，吉洪湖等針對指尖密封結構的泄漏特性進行了數值計算和實驗研究[12-14]。從已有文獻來看，國內主要研究的指尖型線為漸開線、對數螺線等，很少涉及到圓弧型線。由于指梁型線直接影響到指尖密封技術的遲滯性，該遲滯性一般指當轉子（或軸）運轉時，因為各種原因造成轉子的徑向跳動，從而引起指尖密封結構變形而發生徑向外移，而當轉子恢復到原始位置時，指尖密封結構卻因摩擦力作用不能恢復到原始形狀，從而在其自由端和轉子圓周面間形成泄漏通道，造成密封失效。

鑒于圓弧型線的簡單性，本文參考了國外圓弧型線指尖密封結構設計方法[15]，提出圓弧型線的1種形成方法，同時采用有限元方法對2種不同弧長圓弧型線指尖密封結構的工作性能進行了分析。為下一步的理論分析和實驗研究提供了一些參考依據。

1 圓弧型線指尖密封結構的形成

單指的形成結構如圖1（a）所示。在指尖密封頂圓直徑Dt和根圓直徑Df一定的情況下，根據實際試驗器條件首先確定形成指梁型線所需的展開角η=29.4°，然后選取圓弧型線所在的圓心位置（x，y）和半徑R。在一定的展開角范圍內，圓心和半徑的選取決定了指梁型線的弧長大小。已經確定的圓弧線繞頂圓圓心旋轉角度α形成指梁指尖的間隙，接著旋轉角度β形成指梁的寬度。對于指尖靴部分，首先確定指尖靴前端的高度h，如圖旋轉角度ρ形成指尖靴指尖的間隙，接著旋轉角度γ形成指尖靴的寬度。要形成1個完整的密封片，需滿足

式中：N為指尖的個數。

指尖密封結構的端面結構如圖1（b）所示。從圖中可見，單指沿周向陣列N個之后形成完整的密封片。

圖1 指尖密封結構

2 圓弧型線的遲滯性能分析

2.1 計算模型的選取

為進一步研究圓弧型線指尖密封的遲滯性能，本文采用商業軟件ANSYS對一定展開角范圍內的2種不同弧長的指尖密封結構進行了分析，并與目前具有較好遲滯性能的對數螺線型線指尖密封結構進行了比較。

計算模型如圖2所示。計算中取1個指尖所包括的區域作為求解域，為減少計算工作量，軸向僅取1個指尖密封件和后擋板作為分析對象。與上游壓力區接觸的密封片表面稱為密封片上游面，與后擋板接觸的密封片表面稱為密封片下游面。計算中密封片下游面與后擋板、指尖靴與轉子之間分別形成2個面接觸對。目標單元和接觸單元分別采用Target170單元和Contact174單元，接觸表面間的摩擦系數取0.2，并考慮到密封裝置上、下游有壓力差，規定接觸面間不允許有間隙存在。

圖2 計算模型

計算通過3個載荷步來完成：在密封片上游面施加流體壓差；轉子徑向產生跳動與指尖曲梁自由端（即指尖靴）接觸并使指尖曲梁變形；轉子恢復原始位置、指尖曲梁因摩擦力作用而遲滯。通過上述分析，在密封片結構參數和工作條件基本不變的情況下，探討圓弧型線指尖密封的遲滯性能。計算中所取具體參數見表1。圓弧型線Ⅱ與圓弧型線Ⅰ相比，通過取不同的圓心位置和半徑獲得不同的弧長，以便研究在相同的展開角范圍內不同弧長對遲滯性的影響。

指尖密封片遲滯性能的優劣用遲滯率ε為

式中：△r為轉子的徑向跳動量，mm；δ為轉子恢復到原始位置后指尖密封片殘留的變形量。

分析中轉子徑向跳動大多取0.02～0.20 mm；密封片上、下游壓差分別取 0.10、0.25、0.40MPa。

表1 計算參數

2.2 計算結果和分析

圓弧型線和對數螺線的指尖密封在3種壓差條件下遲滯率隨轉子徑向跳動量變化的關系如圖3所示。從圖中可見，本文提出的2種圓弧型線指尖密封結構的遲滯率比對數螺線指尖密封的相對小；對于2種不同弧長的圓弧型線，圓弧型線Ⅰ的遲滯率要比圓弧型線Ⅱ的小，而且隨著壓差的增大，這種差別越明顯，這是因為在相同的展開角范圍內，圓弧型線Ⅰ的弧長較短，剛度較大，從而表現出遲滯性較小。與文獻[10]不同的是，本文中指尖片的變形量還包括因壓差而產生的變形，所以在轉子恢復原始位置后，壓差使指尖靴產生軸向變形，從而使指尖密封結構與轉軸之間的泄漏通道增大。

圖3 遲滯率與轉子徑向跳動量的關系

3 結論

（1）在本文選取計算參數范圍內，可以獲得比對數螺線遲滯率小的圓弧指梁型線。

（2）在指尖密封結構參數及工作條件基本相同的情況下，弧長較短的圓弧型線指尖密封結構的遲滯率比弧長較長的圓弧型線指尖密封結構的小。

鑒于圓弧型線的簡單性，可將圓弧型線指尖密封結構作為下一步研究的對象。參考文獻：

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Analysis of Hysteresis and Form ing Method for Finger Sealw ith Arc Shape Curve

BAIHua-lei
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

The formingmethod for finger sealwith arc shape curve was analyzed and studied,and the hysteresis effect of finger seal with arc shape curve was computational analyzed by FEM(Finite ElementMethod).The result indicates that the hysteresis effects of two kinds of finger sealwith arc shape curve are better than finger sealwith logarithmic curvature in the range of the same opening angel.The shorterarc length indicate better hysteresis.

finger seal;arcs of circles shape-curve;hysteresis;aeroengine;logarithmic curvature

V233.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.010

2013-01-13

白花蕾（1983），女，碩士，工程師，從事航空發動機密封設計工作；E-mail：baihualei@163.com。

白花蕾.圓弧型線指尖密封的形成方法和遲滯性能分析[J].航空發動機,2014,40（3）：49-51．BAIHualei.Analysis ofhysteresis and formingmethod forfingersealwith arc shape curve[J].Aeroengine,2014,40（3）:49-51.