基于流固热耦合的航空发动机刷式密封摩擦与磨损特性研究

The improvement of sealing technology is one of the key ways to enhance the performances of the aeroengine. This project will carry out researches on the friction and wear charateristics of the brush seals based on the Thermal-Hydro-Elastic coupling. A new technical solution which the surface tribological charateristics controlling technology is used to improve the performances of the brush seal is proposed too. The work focus on the coupling mechanism between the flexible array structure of the seal and the micro flow among the bristles. To verify the influences of the sturcture parameters and the operating conditions on the micro flow and the mechanical behavior of the bristles, theoretical modeling and experimental observation are carried out. And then the friction charateristics and wear law are analyzed by the means of contact mechanics and tribological tests. With these results, effect of the heat generation by friction on the deformation of the seal structure and the variation of the micro flow is investigated. The sealing performance affected by the friction and wear is studied. Special stress is laid on the hysteresis test to obtain the influencing rules of the friction on the dynamic behavior of the bristles. A Thermal-Hydro-Elastic coupling modle taking friction into account is built and the demand of the surface tribological charateristics to improve the dynamic performance of the brush seal is obtained. And then a new design theory and method of the new brush seal is achieved by the surface micro structure and physical charateristics control technology and the dynamic performance of the brush seal is improved.

提高密封性能是提升航空发动机性能的关键基础技术之一。本项目围绕航空发动机高性能刷式密封开展基于流固热耦合的刷式密封摩擦、磨损特性研究，提出通过表面摩擦特性控制改善刷式密封工作性能的技术方案。研究着眼于刷式密封的柔性阵列式刷丝结构与流场的耦合作用机制；通过理论建模和实验观测，探明密封工作过程中结构参数、工况参数对刷丝阵列内的微间隙流动及刷丝力学行为的影响；进而通过接触力学模型和摩擦磨损试验，分析密封过程的摩擦特性和磨损规律；在此基础上，分析摩擦生热对密封结构变形和间隙流动的影响，以及三者的耦合作用规律；确定刷式密封的摩擦、磨损机理和影响因素。重点通过迟滞特性实验，获得摩擦力对刷丝动态行为的影响规律，建立考虑摩擦力的流固热耦合模型，确定改善刷式密封动态性能的表面摩擦特性需求；进而通过表面微结构和物理特性控制技术，得出基于表面控制的刷式密封结构设计理论和方法，提升刷式密封的动态工作性能。

先进密封技术是提升航空发动机工作性能的重要途径，刷式密封的优异性能使其成为最重要的航空密封技术之一，但摩擦带来的迟滞、发热和磨损问题始终是制约其发展和应用的瓶颈。因此，本项目围绕刷式密封的摩擦学特性开展基于多场耦合的分析建模和实验研究，提出改善刷式密封工作性能的新设计理论和技术方法。研究从刷式密封微间隙流动规律及其与刷丝束的耦合机制、柔性阵列结构的摩擦磨损规律，以及密封的构型优化和创新设计理论三个方面展开。在理论分析与实验研究的基础上，建立了刷式密封的跨尺度流动模型，并结合刷丝束的结构变形和力学平衡，建立了刷式密封的多场耦合模型，实现了对刷式密封泄漏和摩擦的数值预测，并阐明了气流力对摩擦力、摩擦热的影响规律，发现了刷丝束内部的力/热载荷存在严重的不均匀性——低压侧刷丝承受更高的载荷和温度，与转子的摩擦也更为剧烈；进而基于这种载荷分布的不均性，提出了刷式密封的差异化设计理论；同时，系统研究了刷式密封的迟滞行为，建立了刷式密封动态泄漏分析模型，并构思设计了端面式刷式密封迟滞特性实验测试方法，研究了密封结构、加/卸载过程和配对件运转情况等对密封迟滞特性的影响，发现在配对件运转时刷丝束迟滞效应显著降低的现象，证明减小刷丝束内部的接触和摩擦有助于缓解迟滞效应，并据此提出和验证了利用固体润滑剂减小密封迟滞效应的技术方法。此外，构思设计了刷式密封的综合测试实验装置，创新地引入了纤维热电偶技术，实现了刷式密封内部热场的测量，进而建立了通过摩擦热来表征和分析刷式密封内部摩擦特性的新方法，为刷式密封的实时摩擦分析提供了有效的手段。在上述工作的基础上，提出了后斜角型刷式密封、刷指复合型密封和带微孔织构的平衡型背板等新型结构，达到了减小摩擦和降低迟滞等目标。研究工作在刷式密封的理论分析、实验测试和结构创新等方面取得了一定的突破，对刷式密封的设计和应用具有重要的指导意义。