高温可调喷管接触式密封关键技术研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

高超声速技术是占据未来战略制高点的重要技术之一，各类高超声速飞行器

将全球的军备竞争带入到快速精准、远程打击的全新时代。为了有效模拟飞行器的

加减速、启停、推力瞬变等飞行轨迹，并且在单次试验中模拟比较大马赫数范围的

飞行条件以降低试验成本，要求用于飞行器试验的风洞喷管具有变马赫数能力。但

这种喷管要求的温度与压强较高，并要求长时间运行，且喷管型面可调，因此保证

这种宽温域、高压差、长时间极端工况下的长行程动密封是决定喷管能否正常运行

的关键技术之一。

基于喷管工程上高温高压的动密封工况，本课题以高超音速变马赫数喷管的

柔板与壁面的密封系统为研究对象，从以下三个方面的内容进行研究：

首先基于喷管的高温高压环境，进行密封材料与密封结构的设计。针对密封件

的使用要求，拟采用三种密封材料和两种密封形式应用于风洞喷管的不同部位，实

现包括热密封与气密封的不同作用；针对喷管内的高温热流环境，采用水冷的主动

冷却方法降低温度，首先对水冷管道进行计算与设计，利用CFD仿真方法对流量、

流速与温度进行计算与校核，然后根据降温后的温度进行固体域热膨胀的计算；针

对水冷计算结果，对密封结构进行优化设计，完成整个密封结构宏观部分的计算与

研究。

基于喷管的使用工况，根据接触式密封的特点，从密封界面的表面形貌出发，

对密封件的泄漏特性进行分析，建立密封的泄漏预测模型。首先在使用白光干涉仪

测量的基础上，基于分形理论建立不同粗糙度接触式密封的微观几何模型；然后使

用有限元分析的方法研究材料特性、粗糙度与预紧载荷对密封界面变形与受力状

态的影响；随后根据有限元计算的结果，利用专业流场计算软件Converge计算不

同工况的泄露率，并选取最佳的表面形貌以进行试验并应用于风洞工程中。

最后通过试验的方法对密封结构的气密特性进行验证。首先，设计气密性试验

台，然后进行两种密封结构的气密性试验，研究了在不同的气体压力与预压缩量

（预紧载荷）下，试验密封件随时间的泄漏率，将试验结果与泄漏理论计算结果进

行比较，验证仿真计算的准确性，预测风洞工程的泄漏量并与其密封要求相比较，

检验密封的可靠性，为后续在高超声速风洞可调喷管工程中的有效密封奠定基础。

关键词：高温可调喷管；传热与冷却；高温高压动密封；气密试验

I

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Hypersonictechnologyisoneoftheimportanttechnologiesthatoccupythe

commandingheightsofthefuturestrategy.Allkindsofhypersonicvehiclesbringthe

globalarmscompetitionintoaneweraofrapid,accurateandlong-rangestrike.Inorder

toeffectivelysimulatetheflighttrajectoryoftheaircraft,suchasaccelerationand

deceleration,startandstop,thrusttransient,etc.,andtosimulatetheflightconditionsin

alargeMachnumberrangeinasingletesttoreducethetestcost,thewindtunnelnozzle

foraircrafttestisrequiredtohavevariableMachnumbercapability.However,thiskind

ofnozzlerequireshightemperatureandpressure,andrequireslong-t