[发明专利]确定指尖密封寿命的方法

权利要求书

1.确定指尖密封寿命的方法，包括以下步骤：

1)根据指尖密封的结构和工况参数，计算指尖密封的等效参数，指尖密封的等效参数包括等效质量m_i、等效结构刚度k_i、指尖靴与转子间的接触刚度k_c、指尖片之间以及指尖片与后挡板之间的摩擦阻力F_fi和F'_fi，每个等效参数均通过物理定义计算得到，然后根据牛顿第二定律建立指尖密封分布质量等效动力学模型，通过对这一模型的求解，获得一个转动周期内指尖梁与转子间的接触压力，以及指尖梁中指尖靴与转子间的泄漏间隙；

其中所述指尖密封设置在转子外圆周上，其结构由多层指尖片交错叠置组成，其中每层指尖片由若干个柔性的指尖梁沿周向均匀排列而成，交错叠置的多层指尖片再由前、后挡板夹持，并通过铆钉进行固定；

2)根据Archard摩擦模型，得到指尖密封的线磨损率γ为：

式中，K_w为无因次磨损系数，D_r为转子直径；H为钴基合金材料的布氏硬度，H＝200-500Pa，n_r为转子转速；为指尖密封的平均接触压力；

则转子转动一周或一个周期内第i层指尖片中指尖靴尺寸因磨损而造成的尺寸减小量e_i(t)表示为：

式中，T为转子运动周期；f为转子一个运动周期的计算时间步数，一个运动周期包括指尖梁与转子接触时间段和脱离时间段；t₀为初始时刻点；Δt＝T/f为时间步长；γ_i(t₀+jΔt)为t时刻第i层指尖片的线磨损率；

一个运动周期中，N层指尖片构成的指尖密封中指尖靴平均(径向)尺寸减小量表示为：

式中，N为指尖片层数；T为转子运动周期；f为转子一个运动周期的计算时间步数；t₀为初始时刻点；Δt＝T/f为时间步长；γ_i(t₀+jΔt)为t时刻第i层指尖片的线磨损率；

3)将因磨损而造成的指尖靴尺寸减小量加入指尖密封泄漏间隙数值，通过对泄漏间隙中流场域进行求解，根据流体力学的相关理论采用CFD软件仿真分析计算后获得流体压力分布；

4)将这一流体压力分布作用于新一周期的指尖密封性能计算中，主要包括计算指尖靴与转子间的接触压力、磨损量、指尖密封的泄漏率，以获得新一周期内指尖梁与转子间的接触压力，进而计算出新一周期内指尖密封的磨损量；

5)重复步骤1)至步骤4)，即实现动态条件下指尖密封渐进磨损量，即获得不同时刻t下指尖靴与转子间的接触压力或磨损量、指尖密封的泄漏率；

6)然后根据考虑渐进磨损效应的指尖密封泄漏性能随服役时间增长的变化规律拟合数学模型，经外推后确定指尖密封的寿命。

2.如权利要求1所述的方法，其中，考虑到转子表面涂层的影响，按照干摩擦选取K_w＝1.22×10^-6。

3.如权利要求1所述的方法，其中，指尖密封主要结构参数有：D_w为指尖密封外圆直径；D_e为指尖梁根圆直径；R_c为指尖梁圆弧型线半径；D_cc为圆弧中心圆直径；D_r为转子直径；h_x为指尖靴高度；β为指尖靴间隙角；δ为指尖片厚度；θ为转子倾斜角度，此外，指尖密封高压腔气体压力为P_H；低压腔气体压力为P_L。

4.如权利要求1所述的方法，其中，当指尖梁与转子处于接触状态时，建立的指尖密封分布质量等效动力学模型为：

当指尖梁与转子处于脱离状态时，建立的指尖密封分布质量等效动力学模型为

5.如权利要求1所述的方法，其中，指尖密封结构如下：

指尖密封由多层指尖片交错叠置组成，其中每层指尖片由若干个柔性的指尖梁沿周向均匀排列而成，交错叠置的多层指尖片再由前、后挡板夹持，并通过铆钉进行固定，指尖密封主要结构参数有：D_w为指尖密封外圆直径；D_e为指尖梁根圆直径；R_c为指尖梁圆弧型线半径；D_cc为圆弧中心圆直径；D_r为转子直径；h_x为指尖靴高度；β为指尖靴间隙角；δ为指尖片厚度；θ为转子倾斜角度。此外，指尖密封高压腔气体压力为P_H；低压腔气体压力为P_L。