高温高速旋转轴接触密封材料研发及密封特性研究

《高温高速旋转轴接触密封材料研发及密封特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、高温高速旋转轴接触密封材料研发及密封特性研究第1章绪论1.1课题及研究的目的和意义航空航天技术的提高促使发动机朝着大推重比、高可靠性和长寿命的方向发展，第三代和第四代战斗机的推重比分别为8和10，根据美国IHPTET（IntegratedHighPerformanceTurbineEngineTechnologies）计划，2015~2020年有可能实现推重比15~20的第五代战斗机用涡扇发动机。弹用小型发动机是在航空发动机技术上发展起来的，又和普通的航空发动机有所不同，具有寿命短、成本低、尺寸小、重量轻、结构简单、维护少等特点。小型发动机朝着高增

2、压比、高转速、降低体积和质量的方向发展。航空发动机推力和推重比的不断提高促使发动机燃烧室的气流温度和压力以及主轴转速不断提高[1]。涡轮入口燃气温度和压力提高会造成传动机械零部件的工作温度和工作载荷升高，主轴转速和工作温度的提高会进一步要求密封材料具有更高的极限pv值和使用温度，同时在高转速高剪切力的作用下，密封界面的介质膜易发生破坏，使得密封面与主轴或转子直接接触，导致密封材料发生磨损，从而导致密封失效。为逐步建立面向航空航天和高新工程应用的润滑抗磨损材料的设计技术和评价方法，本文研究小型发动机中以密封为代表的摩擦副在高速、高温、轻载工况条件下密

3、封材料磨损特性和密封机理，揭示密封材料的增强机理和密封润滑工况的演变和对密封材料性能影响的规律。研究成果将丰富和发展变温介质的高速接触式密封理论和方法，突破密封材料的核心技术，为现役小型发动机的延寿和可靠性增长、未来高速高温长寿命高可靠发动机主轴密封技术的研制提供基本设计数据和评价手段。1.2国内外研究现状适用于航空发动机的主轴和气路密封的高速密封形式按密封条件及摩擦副表面在工作时是否接触，可分为接触式密封和非接触式密封，接触式密封主要有篦齿密封、刷式密封、机械密封、唇形密封、指尖密封及磁流体密封等，非接触式密封主要有干气密封、迷宫密封、浮环密封等

4、。在接触式密封中，又存在牺牲型自适应密封和耐磨性密封，牺牲型自适应密封是指磨损主要发生在密封件，当密封件发生磨损，由其结构或者外加载荷进行补偿，以达到密封的目的。篦齿密封效果主要取决于其密封间隙的大小和齿数的多少，由于结构的限制，改善潜力较小。篦齿的主要缺点是：转子的径向跳动会造成接触区磨损，使得密封间隙变大，进而密封失效刷式密封是在克服篦齿密封缺点的基础上出现的密封技术，在相同工况下，刷式密封的泄漏只有篦齿密封的50％甚至10～20％[2]，从而使得发动机的推力增加1～3％，耗油率降低3～5％[3]。同时由于刷式密封与转子表面接触的是刷束，接触后

5、产生弯曲变形，从而降低了刷丝的磨损。刷式密封的性能大部分取决于刷环的结构和刷丝的材料特性，比如大压差会造成刷丝严重变形，从而造成泄漏；高速运转时，刷束与接触表面分离，造成泄漏量增大；同时，由于刷丝之间存在间隙，无法控制在静态条件下的泄漏。目前对刷式密封的研究主要集中在结构的改进[4,5]。刷式密封的基本结构如图1-1所示。.第2章面向工况的密封材料组元设计及性能分析2.1引言用做密封材料的弹性体需要具有低弹性模量、低摩擦系数、较高的冲击强度、良好的拉伸性能及回弹性。适用于密封的弹性体主要有橡胶和低弹性模量的聚合物。由于橡胶本身不具有自润滑性，在高速

6、高温的条件下，密封接触区域容易发生老化、硬化等失效形式，从而造成密封泄漏。用于密封材料的聚合物主要有聚四氟乙烯、聚氨酯等，其中聚四氟乙烯具有低摩擦系数、低弹性模量、较高冲击强度、使用温度范围宽等特点，被广泛应用于密封领域，同时聚四氟乙烯具有不耐磨的缺点，需要改性处理。本章主要研究高速高温密封用聚四氟乙烯基复合材料在常温下的基础摩擦学性能、力学性能及增强体增强机理，为密封材料组元的初步筛选提供试验数据。2.2高速高温密封技术的基本要求通常对密封的基本要求包括：密封性能、摩擦磨损性能、密封材料适用范围、耐压性能、寿命、安装性能以及经济性能等方面。密封的

7、主要也是首要功能是阻止泄漏，也就是密封性能，选择合理的密封结构和密封材料，是保证密封性能最有效的方式。摩擦磨损性能是动密封的主要指标。摩擦力对密封性能有很大的影响，摩擦力大，结构发生扭转或者弯曲变形，如果超过材料的使用极限，密封就会失效，同时摩擦力又是密封接触区温升的主要原因。耐磨性是对密封使用寿命的主要影响因素，如果耐磨性差，在润滑状态较差的工况，磨损将会降低接触区的接触压力，改变了油膜的厚度及分布情况，进而导致密封失效。密封材料的使用范围决定密封的适用工况。选择密封材料，主要是根据密封的工作条件来决定的，如封液压力、腔室温度、封液介质以及运动方

8、式等。材料要具有一定的力学性能、耐温性能、弹性和硬度适中、耐腐蚀、不与介质相溶、耐老化、宜于加工等性能。本文的密封主要是针