柱面螺旋槽干气密封润滑气膜动力学研究

With development of the performance of spiral groove dry gas seal, applied scope of the seal turns to extreme operating condition gradually, such as high temperature and large amplitude vibration of flue gas turbine, shaft end seal of combustion gas turbine and so on. However, at present, face spiral groove dry gas seal is not ability to use extreme of high temperature and large amplitude vibration. So it is become an urgent point that search a new cylinder spiral groove dry gas seal, which is good stability.This project aims at cylindrical spiral groove dry gas seal, whose dynamic system of the gas film-seal ring - flexible support is object of study. We use approximate analysis, numerical simulation and experiment research to study nonlinear dynamic problem of the fluid-solid interaction system. The content is to solve the transient nonlinear partial differential equation of pressure, analyze the performance parameter, analyze nonlinear vibration stability and optimize structure parameter. On the one hand, we reveal flow field characteristics and vibration performance of the cylindrical spiral groove dry gas seal, On the other hand, we seek the optimal range of parameter values about good stability and little leakage of the spiral groove to realize structural parameters of control instability, bifurcation and chaotic motions. According research of the project, providing fundamental basis for regularity of gas flow, optimization design and stability control of cylindrical spiral groove dry gas seal, it is the important academic value and engineering application for safe, stability and long period operation of cylinder dry gas seal.

随着螺旋槽干气密封性能研究深入，应用范围逐渐向极端工况扩展，如高温大振幅振动的烟气轮机和燃气轮机的轴端密封。然而目前国内使用的端面螺旋槽干气密封难以胜任高温大振幅工况，因而探寻一种气膜稳定性更好的柱面螺旋槽干气密封迫在眉睫。本项目针对柱面螺旋槽干气密封，以气膜-密封环-柔性支撑组成的动力学系统为研究对象，采用近似解析、数值模拟和试验研究相结合的方法，研究流固耦合系统非线性动力学问题，内容涉及系统的瞬态非线性偏微分压力方程求解和性能参数分析、非线性振动稳定性分析和结构参数优化。一方面揭示柱面螺旋槽干气密封流场特性规律及振动特性，另一方面寻求稳定好且泄漏量小的螺旋槽组合参数值最佳范围，实现结构参数控制失稳、分岔和混沌运动的设想。通过本项目的研究为柱面螺旋槽干气密封内的气体流动规律、优化设计及稳定控制提供理论基础，这对柱面螺旋槽干气密封安全可靠、稳定和长周期运行具有重要的学术价值和工程应用前景。

针对航空领域传统浮环密封已无法服役高参数发动机的瓶颈问题，本项目提出了柱面螺旋槽干气密封，旨在槽型动压效应与楔形效应的协同作用下改善浮环密封浮动性，从而达到上浮、增稳与控漏的性能指标。本项目针对一种全新的柱面螺旋槽干气密封结构，以浮环-气膜-旋转环组成的动力学系统为研究对象，采用近似解析、数值分析、全局仿真和拟实台架测试相结合的四维双度研究方法，研究内容涉及PH线性近似计算与分析、仿真模拟与工况实用性分析、静动态特性的数值计算、槽型多维深度关键参数寻优、双自由度雕刻成形、样机设计、制造成品、台架系统搭建以及性能参数测定分析。本项目在四年执行期间，攻坚了种种难点，如理论方面：充分考虑槽台处气膜周期突变与微间隙收敛不一形成发散的问题，改善了数值差分的精度格式，同时建立了三坐标全局搜寻和多轮最优三参数交互验证的新优化模型；试验方面：提出了圆周外曲面轴向与周向同步共刻技术，解决了气膜微间隙流场复杂所引起的非接触式高精度测量响应技术。项目研究结果揭示了柱面螺旋槽干气密封流场的信息传递规律，探明密封气膜的形成模式、演变规律与多重影响机理；并基于承漏比获取了高浮动低泄漏的螺旋槽组合参数值最佳范围，实现了结构参数上浮、增稳与控漏的设想。通过本项目的研究为柱面螺旋槽干气密封内的气体流动规律、优化设计及稳定控制提供理论基础，这对航空发动机柱面螺旋槽干气密封安全可靠、稳定和长周期运行具有重要的学术价值和工程应用前景。