转子的高速转动会造成指尖密封的渐进磨损,进而会对指尖密封的泄漏性能产生影响。考虑渐进磨损效应对指尖密封的影响,建立指尖密封流-固耦合动态性能分析有限元模型,研究指尖密封泄漏性能随服役时间增长的变化规律。结果表明:随着服役时间的增长,指尖密封的接触压力、指尖靴(径向)尺寸以及指尖密封的泄漏率均呈现出非线性变化趋势,且随服役时间的增长,考虑渐进磨损效应与否的指尖密封动态性能间的差异会随之增大。通过指尖密封泄漏性能试验,验证了所构建的考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合动态性能分析模型,并根据指尖密封的泄漏性能随服役时间增长的变化规律拟合寿命评估数学模型,经外推后可实现对指尖密封寿命的预测。

为揭示圆弧型指尖密封磨损规律,获得结构参数对其磨损特性影响规律,通过分析指尖封严的磨损过程,构建了指尖密封体积磨损量关于时间的一阶线性非齐次微分方程,求解得到指尖密封中磨损量和磨损率计算的数学计算模型,并采用所建立的数学计算模型研究了结构参数对指尖密封磨损的影响。结果表明:采用文中磨损计算结果进行泄漏特性数值计算与文献中试验结果误差小于5%,证明本文磨损计算的合理性;首次提出了磨损总量系数、磨损率系数和磨损时间系数的概念,用这三个参数表述指尖密封的磨损特性,并获得了磨损率系数、磨损时间系数随指尖片结构变化规律;指尖密封的体积磨损量和磨损率随磨损时间呈指数趋势变化;对指尖密封磨损快慢影响程度由大到小依次是:指梁厚度、指梁根圆、指梁顶圆、指梁基圆、指梁型线圆、周向角、指梁间隙。

为了预测指尖密封迟滞特性,提出了用能够直观反映指尖密封迟滞特性的最小迟滞量来表征指尖密封的迟滞,建立了指尖密封最小迟滞量计算的数学模型,确定了模型中的修正系数,并进行了试验验证,采用修正后的计算模型研究并获得了结构和工况参数对指尖密封迟滞的影响规律。研究结果表明采用修正后的模型进行考虑迟滞效应的泄漏特性数值计算与试验结果误差最大为7.64%,最小迟滞量的计算模型合理可靠;指尖密封结构参数对其最小迟滞量影响程度从小到大依次为指梁型线圆、指梁间隙、指梁根圆、指梁顶圆、指梁基圆、周向角、指尖片厚度。研究结果为进一步开展迟滞对指尖密封泄漏特性影响和指尖密封结构优化设计的研究提供了依据和理论基础。

以流体经过密封指尖梁接触界区域的孔隙处的泄漏作为侧隙泄漏,利用多孔介质结构构建了多孔介质模型,构建了对指尖密封侧隙泄漏进行分析方法。仿真结果表明:前挡板下游保护区中发生了流道宽度的迅速降低,引起运动速度的快速增大。随着指尖梁表面由横向纹理转变为纵向,形成稳定主流道泄漏,而侧隙泄漏持续增大,获得更小主流道泄漏比例,而侧隙泄漏明显提高。逐渐增大指尖密封上下游压差时,主流道、侧隙增大,主流道泄漏比降低,侧隙泄漏比增大。

针对指尖密封提出泄漏流动和固体变形的三维双向耦合计算方法。该方法采用多孔介质模型计算密封片组泄漏流场,将流场计算得到的压力分布加载到有限元模型上进行密封的固体变形计算,再根据变形计算结果更新多孔介质模型参数,重新计算泄漏流动;如此重复,直至泄漏流动和固体变形计算均达到收敛。采用该计算方法,对不同压差下指尖密封的泄漏流动与固体变形进行计算。计算结果表明:流动与变形的耦合计算经过3次迭代达到收敛;指尖密封结构的压降、泄漏及变形主要发生在指尖靴区域,密封片组的最大变形主要取决于径向变形;当上下游压差从0.1 MPa增大至0.5 MPa,密封片的最大径向变形增大约2%,最大轴向变形增大约400%,泄漏量增大约130%。

模拟航空发动机真实工况,对指尖密封静动态性能进行了试验研究并与标准型刷式密封进行比较,研究压比、转速、温度对指尖密封泄漏特性的影响规律。试验结果表明指尖密封具有优异的密封性能;随着压比的增大,指尖密封泄漏参数先增大后趋于定值;在试验转速范围内,随着转速的增加,泄漏参数降低;随着温度的升高,泄漏参数减小;指尖密封相比于标准型刷式密封,静态泄漏参数降低8%~41%,动态泄漏参数降低约18%。