1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着技术的不断革新和进步，科研工作者对透平机械的工作效率、可靠性和使用寿命等方面的追求也在不断提高。密封装置作为燃气轮机、航空发动机中控制转动零件和静止零件间流体的关键装置，其研究具有重要意义。
在航空工业高速发展的时代作为“心脏”的发动机在推力、耗油率、工作可靠性、使用寿命和经济性方面的要求更为严苛，即不可避免的对发动机内部密封装置的泄漏量、最高温度以及承压能力的大小有了更多限制条件。此外，密封装置的结构优化设计及其使用过程中密封性能降低引起的密封装置的失效是导致发动机发生故障的一个重要原因。有资料显示，20 世纪 80 年代美国挑战号在飞行过程中，由于密封故障飞机飞行 1 分多钟后发生爆炸所有工作人员不幸遇难。2017 年大连某一公司同样因密封质量问题引起火灾导致人员大量伤亡[1-2]。为实现当代发动机对低耗油率、高推重比、高可靠性、高寿命和高经济性等目标的要求，众多的研究所和学校，如西安交通大学叶轮机械研究所、北京化工大学、西安理工大学等都对发动机内部的密封装置做了大量研究并取得了一定进展。研究表明，密封装置作为发动机内部的重要零件改善其密封技术和进行结构优化是提高发动机性能的主要途径之一。
密封装置根据密封件与转轴之间径向间隙的大小可划分为接触型和非接触型密封装置两种。接触型密封装置指的是密封件与转轴之间的径向间隙为零时的间隙配合，或允许承受转轴发生跳动或受热膨胀变形后与密封件构成过盈配合。该配合中流体的泄漏主要是通过密封件中刷丝的微小孔隙进行的，因此泄漏非常小，密封效果也非常好。但密封件与转轴的间隙越小，转轴旋转时密封件与转轴间的磨损越严重，所以接触型密封装置适用于速度相对较低的场合；非接触型密封装置指的是密封件与转轴之间留有一定的名义间隙，该间隙是为了避免刚性转轴与密封件的直接接触而发生刚性磨损，从而加大流体通过转轴与密封件之间的空隙进行泄漏。因此，非接触型密封装置适用于密封件与相配合的转轴之间线速度较高的场合，但其密封效果较差。非接触型密封装置相比接触型密封装置的缺点在于泄漏量高，密封质量差，只能用于发动机性能、环境、可靠性、工作效率等要求不高的场合。
............................
1.2 研究现状
自 20 世纪中期，美国 GE、英国 Rolls 等公司率先将刷式密封装置用于发动机试验研究以来,国内外的科研单位和众多高校也不甘落后相继展开了对刷式密封特性的研究。接下来，本文将从刷式密封的结构分类、泄漏特性、传热特性以及结构优化等方面等对刷式密封的现状进行介绍。
1.2.1 刷式密封结构分类
继篦齿密封后，刷式密封凭借其磨损量小、泄漏量小和刷丝材料柔性高等优点赢得了很多科研人员和高校的青睐。为了进一步解决刷式密封在应用中遇到的摩擦磨损、承压能力不足、泄漏量大等技术难题，科研人员提出了不同结构形式的刷式密封，如标准型刷式密封、低迟滞行刷式密封以及多级刷式密封等，接下来分别对它们的结构特点以及优缺点进行介绍。
a. 标准型刷式密封
刷式密封最初是由科研人员基于篦齿密封结构改良而来的一种新型柔性密封用于抑制转轴和静止部件之间流体的流动。其结构由刷环和与之直接触的转轴组合而成，其中刷环是由前、后档板和刷丝束通过焊接而成[7]，从轴向看前档板位于刷丝束的左侧即高压区，后档板位于刷丝束的右侧即低压区，如图 1-2 所示为标准型刷式密封的结构。对比图 1-1和 1-2 可以看出刷式密封与篦齿密封的区别在于刷式密封中对流体起阻碍作用的刷丝束含有金属材质，具有较高的柔韧性和延展性允许转轴产生一定的膨胀变形、径向跳动，从而降低篦齿密封在运转过程由于转轴跳动、变形所造成的篦齿与转轴间的刚性磨损，进而避免泄漏气流增大使得密封装置提前失效。
图 1-3、图 1-4 分别表示刷式密封中刷环及刷丝束的结构特点。从图中可以看出，随机组合的刷丝束中的刷丝与刷丝之间有着大小不同的间隙，其间隙的大小与刷式密封的泄漏量相关即刷丝间隙越大，泄漏气流越大，反之泄漏气流越小。刷式密封的刷丝束与转轴直接接触，当气流经刷丝束向下游区域流动时随机排列的刷丝束对气流产生一定的阻碍作用从而达到密封效果。
图 1-2 标准型刷式密封结Fig.1-2 Structure of standard brush seal
2 刷式密封泄漏与传热特性及结构优化方法
2.1 几何模型
刷式密封在实际应用中会遇到很多的问题，由于时间和成本的限制不可避免的需要发展数值计算方法来代替某些工况条件下的试验研究。本文用于数值计算刷式密封泄漏与传热及结构优化的几何模型是依据刷式密封试验件的真实结构和尺寸设计的，该几何模型从刷式密封的结构分类看属于标准型刷式密封，如图 2-1 所示。
考虑到几何模型中的结构参数对刷式密封的泄漏与传热以及结构优化息息相关，接下来首先对模型中的结构参数进行介绍。从图中可以看出刷式密封的结构参数主要包括：刷丝直径 d、刷环外径 D0、刷环内径 Di、前挡板直径 Df、后挡板直径 Db、前挡板厚度 C1、后挡板厚度 C2、刷丝排列角度β、刷丝束厚度 B、刷丝的高度 H 等，每个参数的具体取值如表 2-1 所示。
表 2-1 刷式密封结构参数
2.2 泄漏与传热特性计算方法
本节根据流体在刷丝束部分的流动状态类似于多孔介质，在刷丝束部分建立控制方程并对方程中的关键参数进行确定。其次根据试验台的结构特点建立计算域并对计算域设置边界条件、划分网格。最后把模型加载到 Fluent 中，同时对求解器、操作条件进行设置，从而完成刷式密封泄漏与传热的数值实现。
2.2.1 多孔介质模型
从几何模型 2-1 可以看出，刷式密封可分成两大部分：刷丝束部分和刷丝束以外的部分。刷丝束部分是由一系列细长且柔韧性高的刷丝层叠排列而成，而“刷丝”和“刷丝”之间留有一定的间隙，使得该部分的气流流动复杂。考虑到气流在刷丝束中的流动状态类似于多孔介质中的流动，本文将刷丝层组成的刷丝束部分看作一个整体视为多孔介质处理并建立控制方程。
由于文中刷丝束部分建立的多孔介质模型考虑了磨损的影响，随着磨损时间的增加，刷丝束和转轴之间的配合逐渐由过盈配合变为间隙配合。该配合的变化会影响刷丝束的孔隙率的变化，从而对刷式密封的泄漏量产生一定影响。因此本节对文献[54]中孔隙率的计算公式进行了改进，即考虑了刷丝磨损对孔隙率的影响，其中磨损对孔隙率的影响主要体现在过盈量δt 的变化上。
两个相互接触的物体如果想要发生运动，就不可避免需要耗费机械能去抵消接触表面的摩擦阻力，摩擦热正是由此产生。除了刷环与转轴接触表面的运动外，转轴的膨胀变形、偏心等因素也会让刷丝与刷丝之间、刷丝与后挡板之间产生相对运动。因此就刷式密封来讲，其摩擦热主要来源与 3 个位置：（1）刷丝与刷丝之间；（2）刷丝与后挡板之间；（3）刷丝束与与之相接触的转轴之间，如图 2-3 所示。
...................................
3 刷式密封泄漏与传热特性的数值计算及分析.........................................31
3.1 算例设计..........................................31
3.2 流场分析...............................................32
4 刷式密封结构参数优化研究...........................................41
4.1 泄漏特性参数优化设计........................................41
4.1.1 优化表达式.................................................41
4.1.2 近似模型构造......................................41
5 结论与展望................................................51
5.1 结论............................................51
5.2 展望.............................................51
4 刷式密封结构参数优化研究
4.1 泄漏特性参数优化设计
刷式密封泄漏特性参数优化：指的是以泄漏量 m 作为优化目标，对刷式密封的结构参数进行优化设计，从而获得优化目标最合理时刷式密封的一组结构参数。
4.1.1 优化表达式
由近似模型的流程可以看出，近似模型在构造过程中是不断变化的，其构造过程可以总结为：首先把刷式密封的优化变量及衡量刷式密封性能的指标即泄漏量视为优化目标代入设计好的正交表完成样本点的设置，然后把样本点导入 Isight 软件，选择合适的近似模型类型，如 RSM、RBF/EBF、Chebyshev 以及 Kriging，对模型的可靠性进行分析，若模型的可靠性接近 1 即可完成近似模型的构造，否则需要增加样本点，或者改变近似模型类型，重新构造近似模型。
表 4-1 近似模型的样本点
5 结论与展望
5.1 结论
本文以刷式密封作为研究对象。首先，结合流体在刷丝束间的流动形式类似于多孔介质中的流动特点，对刷丝束部分进行相关研究分析，建立了考虑磨损的刷式密封封泄漏与传热的多孔介质模型。通过此模型研究了刷式密封的流场分布情况以及构参数和工况参数条件下气体的泄漏量和最高温度随磨损时间变化的曲线分布规律。其次，根据刷式密封的设计要求确定了优化目标、对优化变量进行选取，设计其约束条件，在此基础上建立了刷式密封的优化模型。采用实验设计方法中的正交实验法设计正交表、确定初始样本点，构建近似模型来建立优化变量和优化目标之间的关系并对近似模型的精度进行验证，从而得到一组满足优化目标的刷式密封的结构参数。
经过以上研究，本文得到的主要结论如下：
（1）泄漏气体压力的剧烈变化主要发在刷丝束部分，距离转轴表面越近，刷丝束区域的径向和轴向压力变化越明显。
（2）前板保护区的径向距离变小时，泄漏气体的流速在该位置出现第一次增大；当泄漏气体流经刷丝束靠近转轴面位置时，刷丝直径小、刷丝束部分孔隙率小对流经的气体产生很大的阻碍作用，从而使得刷丝束部分的气体流速减小；当泄漏气体进入后板保护区后，随着压力梯度、后档板保护区的径向距离的减小，泄漏气体的流速开始出现第二次增大并在后挡板靠近刷丝束的位置达到最大。
（3）刷式密封的气体泄漏量经历了磨损初期随时间逐渐上升，随着时间的不断增加泄漏量变化缓慢，最终趋于平稳状态；而刷丝束与转轴面间的最高温度经历了磨损初期，随时间逐渐下降，最终随着时间的增加最终趋于平稳状态。
（4）磨损初期，刷式密封的气体泄漏量随刷丝直径、刷丝排列角度、刷环内径、刷丝高度、上下游压差的增加而增大；随过盈量、转速的增加而减小。最高温度随刷丝直径、刷环内径、转轴转速、过盈量的增加而增大；随刷丝高度、刷丝排列角度、上下游压差的增加而减小。
（5）多目标优化后刷式密封的泄漏量 m 比优化前降低了 15.6%，而最高温度 T 比优化前降低了 1.8%皆满足优化要求，从而证明了本文中模型建立的合理性。
参考文献（略）