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1、10申请公布号CN102155269A43申请公布日20110817CN102155269ACN102155269A21申请号201110051661322申请日20110304F01D11/0020060171申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号72发明人马艳红洪杰王虹张大义74专利代理机构北京永创新实专利事务所11121代理人李有浩54发明名称航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法及气膜密封阻尼结构57摘要本发明公开了一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法以及气膜密封阻尼结构，本发明在气膜密封阻尼结构设计中应用NS方程和流体连续方程化简得到描述气体。
2、速度VXV，YV，ZV、气膜厚度H、气膜压力P、气体动力粘度和气体密度的雷诺方程；然后根据气膜径向力PR和气膜周向力PT得到金属橡胶刚度MRK；最后依据MRK与三维绘图软件相结合对金属橡胶环3进行建模，依据转子半径RJ和初始厚度C对浮动环4进行建模，最终得到与发动机转子系统相匹配的气膜密封阻尼结构。本发明的气膜密封阻尼结构在气膜力的作用下可自动调节气膜间隙，打破了传统的非接触式封严装置密封间隙固定不可调的定式，减小转子1、静子2之间碰摩发生的可能性；采用动压气膜与金属橡胶环3共同作用，能够有效抑制转子系统的振动。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书。
3、6页附图4页CN102155272A1/2页21一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法，其特征在于该气膜密封阻尼结构的设计包括有下列步骤步骤一获取气膜密封阻尼结构的雷诺方程通过化简NS方程和流体连续方程，得到描述气体速度VXV，YV，ZV、气膜厚度H、气膜压力P、气体动力粘度、气体密度的气膜密封阻尼结构的雷诺方程其中，表示偏导数；RJ表示转子半径；H表示气膜厚度；表示与H最大时关联的周向角；P表示气膜压力；表示气体动力粘度；表示转子转动速度；表示转子进动速度；表示的偏导数；表示轴向Z上的任意点AZ的偏导数；表示对P求的偏导数；表示对P求AZ的偏导数；表示对PH求的偏导数；步骤二将航空。
4、发动机转子系统的工作参数WRDPIN，POUT，和结构参数FRDRJ，C，H4代入雷诺方程中，求解得到气膜径向力PR和气膜周向力PT；PIN表示气膜密封阻尼结构的进口压力；POUT表示气膜密封阻尼结构的出口压力；RJ表示转子半径；C表示转子与浮动环之间间隙的初始厚度；表示气体动力粘度；H4表示浮动环的高度，也是气膜密封阻尼结构的有效长度；PA表示一个标准大气压；表示与H最大时关联的周向角；D表示周向角的微分；DAZ表示轴向Z上的任意点AZ的微分；步骤三在考虑航空发动机转子系统运转时转子的最大径向振动MAX的前提下，依据浮动环的力学平衡关系且FKMRKEB，FDDMREB，得到金属橡胶刚度MRK。
5、；表示轴颈相对浮动环的周向角；B表示浮动环的周向角；MRK表示金属橡胶的刚度；EB表示浮动环的偏心距；DMR表示金属橡胶的阻尼系数；表示转子进动速度；权利要求书CN102155269ACN102155272A2/2页3步骤四依据金属橡胶刚度MRK采用三维绘图软件进行金属橡胶环构形，得到金属橡胶环的三维构形；所述金属橡胶环3的厚度记为D3毫米，金属橡胶环3的高度记为H3毫米，金属橡胶环3的无量纲相对密度记为3，是金属橡胶环的密度与金属丝密度的比值，金属橡胶环3的内环半径记为R3内毫米，外环半径记为R3外毫米步骤五依据航空发动机转子系统中的转子半径RJ，以及转子与浮动环之间间隙的初始厚度CC313。
6、M，能够获得浮动环的三维构形；所述浮动环4的厚度记为D4毫米，浮动环4的高度记为H4毫米。浮动环4的内半径记为R4内毫米。2一种根据权利要求1所述的航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法获得的气膜密封阻尼结构，其特征在于该气膜密封阻尼结构由金属橡胶环3和浮动环4构成，金属橡胶环3置于静子2内，金属橡胶环3内套接有浮动环4，浮动环4内活动放置有转子1，浮动环4与转子1之间有间隙100。3根据权利要求2所述的气膜密封阻尼结构，其特征在于在旋转坐标系RT下径向R方向尺寸关系满足RJCR4内，R4内D4R3内，R3内D3R3外。4根据权利要求2所述的气膜密封阻尼结构，其特征在于气膜密封阻尼结构在。
7、轴向Z方向尺寸关系满足H3H4。权利要求书CN102155269ACN102155272A1/6页4航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法及气膜密封阻尼结构技术领域0001本发明涉及一种密封阻尼结构件，更特别地说，是指一种用于航空发动机转子系统的气膜密封阻尼结构件。背景技术0002以航空发动机为代表的高速旋转流体机械转子系统中，需要多达几十处的流体动密封。如压气机出口、涡轮入口、级间和轴承腔，以及转子叶尖处的密封。流体动密封工作性能的好坏直接影响着航空发动机的总体性能，包括效率、推重比、耗油率、可靠性和经济性等。先进的封严装置不仅可以降低耗油率，而且能够减缓发动机性能衰退，降低涡轮前温度。
8、，提高热端部件和止推轴承的寿命，减轻发动机的重量等。因此可以说，密封设计技术的改进具有明显的技术和经济价值与意义。0003现代航空发动机追求高转速、高增压比、高涡轮前温度等较高的性能参数，这使得传统封严装置的工作条件日趋恶劣，对航空发动机的效率，可靠性，稳定性及寿命和维护性都有产生了重大的影响。以篦齿封严为代表的非接触式封严是航空发动机和其他高速旋转机械中被广泛使用的封严装置。在航空制造技术2008年第8期的“航空发动机封严技术的研究和应用进展”的图1和图2中介绍了多种篦齿封严结构。篦齿封严的静子为刚性，在转子运转过程中间隙固定不可调，若间隙过大，则封严效果不佳，导致发动机整体性能下降；若间隙。
9、较小，由于发动机在频繁起停车、机动载荷和离心载荷作用下引起的较大径向振动，使转子与静子之间较容易发生碰摩，导致转子系统失稳。可见，在现有技术条件下，提高封严效果和防止转静子间碰摩表现出了不可调和的矛盾。因此，采用新型封严技术来减少发动机漏气损失、增大发动机推力、减少发动机耗油率、提高发动机效率是十分必要和迫切的。0004航空发动机等高速旋转机械的振动问题是影响发动机稳定可靠工作的主要因素之一。现代航空发动机向高转速，高推重比，高可靠性的方向发展。一方面，由于转子系统的转速较高，当转子转速接近或通过临界转速时，转子系统会产生较大的振动。另一方面，由于材料上大量采用高新材料及复合材料，结构上广泛应。
10、用薄壁、板壳和空心结构，这些改进均对发动机系统的结构强度和振动控制提出了更高的要求。因此，需要在发动机中加入更多有效的阻尼减振结构来抑制转子系统的振动。发明内容0005本发明的目的是提出一种带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构，是以金属橡胶作为弹性外环，内环为一种刚性浮动环，能够在工作过程中绕结构的中心进动而不转动；该结构的基本工作机理是气流从密封阻尼结构一侧进入，在弹性外环和转子之间形成一层动压润滑气膜。转子在不平衡力的作用下作用于气膜，由于偏心旋转的楔形效应和进动挤压效应产生气膜力，施加在浮动环上，使浮动环产生径向偏移，从而挤压金属橡胶弹性外说明书CN102155269ACN1021552。
11、72A2/6页5环，使其发生变形，一方面自动调节了气膜间隙，减小转、静子间碰摩发生的可能性；另一方面产生有效阻尼，吸收了转子的振动能量。转子气膜金属橡胶弹性外环三者构成一个流固耦合系统。弹性外环与气膜不仅能对转子产生阻尼作用，而且浮动环与转子之间的小间隙动压气膜能够有效阻止气体的轴向泄漏，因此该结构具有密封和阻尼的双重作用。0006本发明的一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法，该气膜密封阻尼结构的设计包括有下列步骤0007步骤一获取气膜密封阻尼结构的雷诺方程0008通过化简NS方程和流体连续方程，得到描述气体速度VXV，YV，ZV、气膜厚度H、气膜压力P、气体动力粘度、气体密度的的。
12、气膜密封阻尼结构的雷诺方程00090010步骤二将航空发动机转子系统的工作参数WRDPIN，POUT，和结构参数FRDRJ，C，H4代入雷诺方程中，求解得到气膜径向力PR和气膜周向力PT；001100120013步骤三在考虑航空发动机转子系统运转时转子的最大径向振动MAX的前提下，依据浮动环的力学平衡关系且FKMRKEB，FDDMREB，得到金属橡胶刚度MRK；0014步骤四依据金属橡胶刚度MRK采用三维绘图软件进行金属橡胶环构形，得到金属橡胶环的三维构形；0015所述金属橡胶环3的厚度记为D3毫米，金属橡胶环3的高度记为H3毫米，金属橡胶环3的无量纲相对密度记为3，是金属橡胶环的密度与金属丝。
13、密度的比值，金属橡胶环3的内环半径记为R3内毫米，外环半径记为R3外毫米0016步骤五依据航空发动机转子系统中的转子半径RJ，以及转子与浮动环之间间隙的初始厚度CC313M，能够获得浮动环的三维构形；0017所述浮动环4的厚度记为D4毫米，浮动环4的高度记为H4毫米。浮动环4的内半径记为D4内毫米。0018本发明气膜密封阻尼结构的优点在于0019金属橡胶3刚度可设计，可根据实际工况条件选取金属橡胶刚度，使结构具有良好的密封和阻尼效果。0020采用金属橡胶3作为弹性外环，在气膜力的作用下可自动调节气膜间隙，打破了传统的非接触式封严装置密封间隙固定不可调的定式，减小转子1、静子2间碰摩发生的可能性。
14、。0021采用金属橡胶3这种新型的结构阻尼材料作为弹性外环，有效地增大了结构中的阻尼，对转子系统的振动起到抑制作用。0022结构形式灵活，可根据具体应用选用相匹配的结构。0023提出将气膜密封技术应用于航空发动机转子系统的流体动密封结构的设计，能说明书CN102155269ACN102155272A3/6页6有效地改善密封效果，进而提高航空发动机的总体性能。附图说明0024图1是将本发明气膜密封阻尼结构与转子、静子装配好的结构图。0025图1A是图1的分解图。0026图2是转子与浮动环之间存在间隙的平面示意图。0027图3是气膜密封阻尼结构的运转示意图。0028图4是直通式篦齿封严结构示意图。。
15、0029图5是本发明气膜密封阻尼结构与直通式篦齿封严结构的泄漏量随进口压力变化曲线。0030图中1转子100间隙1A转子轴颈初始位置1B转子轴颈运转位置2静子3金属橡胶环4浮动环4A浮动环初始位置4B浮动环运转位置具体实施方式0031参见图1、图1A所示，本发明在设计时，航空发动机转子1和静子2之间存在有间隙100参见图2所示，转子与浮动环之间间隙的初始厚度记为C，若间隙100过大，则封严效果不佳；若间隙100较小，则转子1与静子2之间较容易发生碰摩。在气膜密封阻尼结构件运转过程中该间隙100即动压气膜。为了使转子1在偏心运转情况下自适应地调节转子1与浮动环4之间的气膜间隙，本发明需对金属橡胶。
16、弹性外环的刚度进行优化。0032航空发动机转子系统运转时，气膜密封阻尼结构的运动情况如图3所示。在图中，二维固定坐标系XY经旋转角度后记为旋转坐标系RT，转子轴颈在运转前的位置记为初始位置1A，运转时的位置记为运转位置1B；浮动环在运转前的位置记为初始位置4A，运转时的位置记为运转位置4B；气膜密封阻尼结构在稳态运转时，转子轴颈绕转子中心点OJ转动，则转动角速度为；与此同时，转子轴颈中心点OJ和浮动环中心点OB绕二维固定坐标系XY的中心点O进动，则进动角速度为；气膜厚度H从最大至最小开始转的角度，即周向角；浮动环中心点OB与二维固定坐标系XY的中心点O的连线记为OOB线段，所述OOB线段与二维。
17、固定坐标系XY的X轴之间的夹角，即浮动环周向角B；转子中心点OJ与二维固定坐标系XY的中心点O的连线记为OOJ线段，所述OOJ线段与二维固定坐标系XY的X轴之间的夹角，即轴颈周向角J。所述的旋转角度也称为轴颈相对浮动环周向角。0033本发明的一种航空发动机转子系统用气膜密封阻尼结构设计方法，该气膜密封阻尼结构的设计包括有下列步骤0034步骤一获取气膜密封阻尼结构的雷诺方程0035通过化简NS方程和流体连续方程，得到描述气体速度VXV，YV，ZV、气膜厚度H、气膜压力P、气体动力粘度、气体密度的气膜密封阻尼结构的雷诺方程所述的流体速度VXV，YV，ZV中XV表示流体在X轴方向上的速度，YV表示流。
18、体在Y轴方向上的速度，ZV表示流体在Z轴方向说明书CN102155269ACN102155272A4/6页7上的速度。0036所述的化简NS方程和流体连续方程在摩擦学基础第39、40、47、48和49页中有详细的说明。摩擦学基础陈燕生主编，1991年6月第一版。0037该方程中各个字母的物理意义为0038表示偏导数；0039RJ表示转子半径；0040H表示气膜厚度；0041表示与H最大时关联的周向角；0042P表示气膜压力；0043表示气体动力粘度；0044表示转子转动速度；0045表示转子进动速度；0046表示的偏导数；0047表示轴向Z上的任意点AZ的偏导数；0048表示对P求的偏导数；0。
19、049表示对P求AZ的偏导数；0050表示对PH求的偏导数；0051步骤二将航空发动机转子系统的工作参数WRDPIN，POUT，和结构参数FRDRI，C，H4代入雷诺方程中，求解得到气膜径向力PR和气膜周向力PT；005200530054PIN表示气膜密封阻尼结构的进口压力，单位为PA；0055POUT表示气膜密封阻尼结构的出口压力，单位为PA；0056RJ表示转子半径，单位为MM；0057C表示转子与浮动环之间间隙的初始厚度，单位为MM；0058表示气体动力粘度，单位为PAS；0059H4表示浮动环的高度，也是气膜密封阻尼结构的有效长度，单位为MM；0060PA表示一个标准大气压，单位为PA。
20、；0061表示与H最大时关联的周向角；0062D表示周向角的微分；0063DAZ表示轴向Z上的任意点AZ的微分；0064步骤三在考虑航空发动机转子系统运转时转子的最大径向振动MAX的前提说明书CN102155269ACN102155272A5/6页8下，依据浮动环的力学平衡关系且FKMRKEB，FDDMREB，得到金属橡胶刚度MRK；0065表示轴颈相对浮动环的周向角；0066B表示浮动环的周向角；0067MRK表示金属橡胶的刚度，单位为N/M；0068EB表示浮动环的偏心距，单位为MM；0069DMR表示金属橡胶的阻尼系数，单位为NS/M；0070表示转子进动速度，单位为转每分R/MIN；0。
21、071步骤四依据金属橡胶刚度MRK采用三维绘图软件进行金属橡胶环构形，得到金属橡胶环的三维构形；0072所述金属橡胶环3的厚度记为D3毫米，金属橡胶环3的高度记为H3毫米，金属橡胶环3的无量纲相对密度记为3，是金属橡胶环的密度与金属丝密度的比值，金属橡胶环3的内环半径记为R3内毫米，外环半径记为R3外毫米0073步骤五依据航空发动机转子系统中的转子半径RJ，以及转子与浮动环之间间隙的初始厚度CC313M，能够获得浮动环的三维构形；0074所述浮动环4的厚度记为D4毫米，浮动环4的高度记为H4毫米。浮动环4的内半径记为R4内毫米。0075参见图1、图1A、图2所示，本发明依据气膜密封阻尼结构设计。
22、方法得到的气膜密封阻尼结构，该结构由金属橡胶环3和浮动环4构成，金属橡胶环3置于静子2内，金属橡胶环3内套接有浮动环4，浮动环4内活动放置有转子1，浮动环4与转子1之间有间隙100，该间隙100的距离为气膜厚度H。0076一金属橡胶环30077金属橡胶环3是与静子2构形相同的结构，一般为环形即圆环。0078金属橡胶环3的厚度记为D3，金属橡胶环3的高度记为H3。0079二浮动环40080浮动环4是与转子1构形相同的结构，一般为环形即圆环。0081浮动环4的厚度记为D4，浮动环4的高度记为H4。0082本发明设计的气膜密封阻尼结构，需对金属橡胶所需的刚度进行设计，为了保证在运转过程中既不发生碰摩。
23、又能保证稳定的动压气膜润滑，下面是气膜密封阻尼结构的工作机理。0083本发明设计的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构，采用金属橡胶作为弹性外环，内环为刚性浮动环图1、图1A、图2，能够在工作过程中绕结构轴向中心线发生进动。该结构的基本工作机理是气流从本发明气膜密封阻尼结构一侧进入，在浮动环4和转子1之间形成一层动压润滑气膜。在发动机转子运转过程中，转子1在不平衡力的作用下作用于气膜，由于偏心旋转的楔形效应和进动挤压效应产生气膜力，施加在浮动环4上，使浮动环4产生径向偏移，从而挤压金属橡胶弹性外环3，使其发生变形，如图3所示。金属橡胶在气膜力的作用下发生变形，一方面自动调节了气膜间隙，减小转、。
24、静子间碰摩发生的可能性；另一方面产生有效阻尼，吸收了转子的振动能量。转子气膜金属橡胶弹性外环三说明书CN102155269ACN102155272A6/6页9者构成一个流固耦合系统。弹性外环与气膜不仅能对转子产生阻尼作用，而且弹性外环与转子之间的小间隙动压气膜能够有效阻止气体的轴向泄漏，因此该结构具有密封和阻尼的双重作用。0084本发明提供的一种新型带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构，作为现代追求高性能航空发动机转子系统的流体动密封，它不仅具有良好的封严效果，提高结构中各元件的工作寿命，而且能够在大振位移下自适应地调节密封气膜间隙，避免转静子之间碰摩的发生，同时可有效地抑制发动机的振动，保证。
25、转子系统可靠稳定运行，从而满足日益提高的、对航空发动机整体性能的要求。在此基础上，通过理论分析和试验验证，形成一套该结构的设计方法，作为工程尝试应用的基础。0085对比实施例0086篦齿封严是航空发动机中广泛使用的一种非接触式密封结构，其设计技术已基本成熟，篦齿封严泄漏的计算也形成了一种较为近似的计算方法。在此采用航空发动机设计手册第12册传动及润滑系统提供的半经验公式计算给定结构参数条件下直通式篦齿封严的泄漏量QSL，并与本发明气膜密封阻尼结构的泄漏量QNEW进行对比。0087直通式篦齿封严结构示意图如4所示图中纵坐标质量泄漏量Q代表着QSL和QNEW的泄漏量多少，“”表示直通式篦齿封严的泄。
26、漏量QSL，“”表示本发明气膜密封阻尼结构的泄漏量QNEW，现选用篦齿封严的结构参数如下间隙C02MM，齿距B2MM，齿尖厚度A02MM，齿高H2MM，齿数为4，密封直径D100MM。0088本发明气膜密封阻尼结构的参数如下间隙C13106MM，密封半径RJ50MM2RID。0089本发明气膜密封阻尼结构与直通式篦齿封严质量泄漏量的随进口压力变化曲线。从图中可知，气膜密封阻尼结构的泄漏量QNEW与在选定参数下直通式篦齿封严的泄漏量QSL相比大大降低，在最大的进口压力下，QNEW的泄漏量约为篦齿封严QSL的1/600。此外，直通式篦齿封严的泄漏量QSL随进口压力的增加基本呈线性增大，其增长率远远。
27、高于本发明气膜密封阻尼结构的泄漏，在较大的进口压力下，泄漏量很大，这是工程中需要极力避免的，而本发明气膜密封阻尼结构在高进出口压差下的封严效果尤为突出。篦齿封严装置的间隙设计必须保证转子系统运转时的最大工作径向偏移，这也是篦齿封严相对小间隙动压气膜密封泄漏量大的一个原因。而本发明气膜密封阻尼结构不仅可以利用小间隙的动压气膜限制气体轴向泄漏，而且由于弹性外环的存在，在运转过程中能够自适应地调节转子轴颈与浮动环的间隙，避免碰摩的发生。因此，采用小间隙动压气膜密封的本发明气膜密封阻尼结构具有良好的密封效果，能够满足航空发动机中高进出口压比下封严的需要。说明书CN102155269ACN102155272A1/4页10图1图1A说明书附图CN102155269ACN102155272A2/4页11图2说明书附图CN102155269ACN102155272A3/4页12图3图4说明书附图CN102155269ACN102155272A4/4页13图5说明书附图CN102155269A。