航空发动机用金属封严环设计与性能分析研究

【类型】学位论文

【作者】陈希 

【关键词】 航空发动机用封严环 强度计算 疲劳寿命分析 泄漏率计算

【摘要】本课题是关于新型航空发动机用W封严环设计依据展开的研究。航空涡轮发动机和燃气轮机气路密封技术对发动机性能影响至关重要，当前世界先进的航空发动机普遍采用先进的W封严环封严技术，但W封严环因其集“薄壁（环件壁厚为0.1—0.3毫米）、大变形（压延变形量与壁厚之比高达30—50）、精密（加工精度为微米级）”于一体，研制难度极大，目前只有美国、加拿大等少数发达国家掌握其核心加工技术，我国在此领域尚属空白，一直都依赖进口解决。因此，掌握这种技术，在未来我国研制航空发动机上将能发挥十分积极的作用。本文的重点对W型航空发动机用金属封严环进行设计及性能分析研究，提出其主要性能评估项目指标，为以后封严环的试验、测试技术研究打下基础。由航空发动机W封严环的结构材料特点所决定，其合理的加工方法应是精密塑性成形技术。精密塑性成形技术因其生产周期短、成本低、零件使用性能好、产品可靠性高等优点，在包括航空发动机在内的武器装备中得到广泛应用。但作为航空核心敏感技术，国外的航空W封严环具体制造技术我们无从得知，但可以肯定旋压或液压精密塑性成型一定是类似航空W封严环的“超薄、大变形、精密”环件加工的有效技术途径之一，这也是值得我们深入研究发展的未来精密塑性成型技术的发展趋势。为此，本文首先将国内外研制成的O型、C型、U型的封严环进行性能的对比分析。在前人已经对O型、C型、U型的封严环的结构外形及其力学性能进行研究的基础上，开展新型W型航空发动机用金属封严环设计依据的研究。本文在结合国内外此类密封环的研究现状后，提出了一种新型航空发动机用W封严环——多道弯封严环的设计方案，并将其各项性能指标与传统W型封严环进行对比，通过研究分析，对封严环的外形结构进行初步的优化设计，然后对航空发动机用封严环进行结构强度的分析计算，得到符合实际工况强度的封严环外形结构及其尺寸。本文其中一个创新点在于——对航空发动机用W型封严环进行疲劳分析计算。利用有限元等软件，并结合材料疲劳试验结果，将传统W封严环与新型W封严环放在相同的模拟环境下，进行其强度及疲劳寿命的模拟计算。该分析结果证明新型W型封严环在强度、疲劳寿命等各项指标都要优于传统W型封严环。该结果为未来封严环的研制、试验、检测等提供了理论依据。气体泄漏率是衡量航空发动机用封严环性能的一个很关键的因素，提高计算封严环在动态密封下的气体泄漏率的准确度，有助于更好的进行航空发动机的设计及性能的预测。基于以上考虑，本文提出了一维有摩擦变截面气体流动计算模型及泄漏率的计算方法，该模型可用于计算截面变化率不大时的气体泄漏率。这是本文的另一大创新点之一。通过研究分析，本文提出的新型多道弯W封严环较传统W型封严环拥有更高的强度以及更高的使用疲劳寿命，在理论上为封严环的研制提供了一定依据。但在封严环真正的研制过程中，还有很多需要探讨的问题，也还有其他可行的设计方案，这些都值得我们今后继续探讨研究。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】南昌航空大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】王云

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