基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaFeb．252012V01．33No．2354．361ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)02—0354—08基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真张国渊1’*，赵伟刚2，闰秀天3，陈国定1，陈矗11．西北工业大学机电学院，陕西西安7100722．中国航天科技集团公司西安航天动力研究所，陕西西安7101003．英国思克莱德大学

2、设计制造及工程管理系，英国格拉斯哥G11XJ摘要：端面密封动态性能模型的多维求解复杂性限制了对密封的实时动态监测，为此建立了基于本征正交分解(POD)方法的密封性能求解降阶模型，以获取实时的密封性能特征参数，包括非接触密封微小间隙产生的液膜轴向力及沿着不同方向的液膜力矩。基于降解模型提出了非接触端面密封动态监测的原理，并分析了不同液膜振动频率下的降阶模型的计算误差，完成了对一组不同密封间隙及液膜振动频率下的水润滑端面液膜轴向力及力矩的数值仿真。研究结果表明提出的基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测能达到较高的分析精度，这对于非接触端面

3、密封的动态控制及研究瞬态启动过程中的密封动静特性具有重要的作用。关键词：非接触端面密封；动态监测；本征正交分解方法；液膜力；振动中图分类号：THll7文献标识码：A非接触端面密封的动态行为由静环柔性支撑装置和端面问流体膜的特性决定EI-2]。在已有的研究中，一般采用线性弹簧一阻尼模型来处理柔性支撑装置对密封动态特性的影响，且已取得了较好的研究结果；但端面流体膜影响密封动态行为的分析模型则要复杂得多，被密封流体膜的动压及静压效应使端面密封的动态特性呈现出强的非线性特点口]。已经有不少研究者提出了基于直接数值求解获取端面间流体膜特性的计算方法[

4、2。1；但是这些研究大都为针对密封处在稳定运行阶段(特定密封压力、转速等工况下)下的静态特性或刚度阻尼系数的研究[6书]。重要工程中，如核泵端面密封、高速涡轮泵轴端端面密封和潜航器密封等，需要对密封性能进行实时监测；尤其需要监测密封在启动、停止或者出现大的扰动情况下，其性能发生显著变化时的静态特性的转变，特别是需要监测其动态特性的变化历程。已有的密封流体膜特性数值分析模型，大都忽略了这些变化，因此未能作冗余设计，使得密封可能在状态参数突变和扰动出现时发生失效。此外，一个设计良好的端面密封在运行中流体膜产生的轴向力及其刚度应有利于维持端面间的

5、脱开状态和稳定性。但在大多数的端面密封研究中，流体膜的特性被认为是影响密封不稳定的主要因素(失稳后的密封会产生端面的接触和磨损，甚至密封失效)。因此针对能反映非接触端面密封状态的液膜轴向力和力矩的实时监测及其特征提取进行研究，对于端面密封的设计、分析及控制都具有重要意义[5’9]。收稿日期：2011-05—26；退修日期：2011—07—14；录用日期：2011—10—18；网络出版时间：2011．11．0710：21网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201111071021003．html

6、DOI：CNKI：11．1929／V．20111107．1021．003基金项目：中国博士后科学基金(20100481367)；航天科技创新基金(OAS0201103)*通讯作者Tel．：029·88495967E—mail：gyzhang@nwpueducn歌用格式

7、ZhangGY．ZhaoWG，YanxT．etalPrincipleandsimulationforreal-timemonitoringofthenon．contactfacesealbasedonPODmodelActaAeronauticaetAstronauticaS

8、inica．2012．33(2)：354-361．张国涌，赵伟确．闺秀天，等。基于POD降阶模型的非接魁端面密封动态监溯碌理及仿真航空学报．2012．33(2)；354-36I．张国渊等：基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真限于求解模型的复杂性，不能直接对端面密封动态特性(以其液膜轴向力和力矩为表征量)进行监测，但实践中可以通过对静环轴向位移量和偏斜量等可测试量来间接地实现对密封的监测、状态分析及控制。然而为了获得从可测试量到表征量的转换，需要研究其中的转变机理及实现方法，因此本文结合密封静环运动方程和流体膜控制方程，基于本

9、征正交分解(POD)法研究从静环轴向位移量向液膜轴向力及力矩的转变方法，并由此提出了实现非接触端面密封动态监测的原理，通过数值模拟获得了实时的非接触式端面密封的轴向力及力矩的变化