航空发动机轴承腔逐渐向高参数发展,对密封的摩擦磨损性能、泄漏性能、开启性能均提出较高要求,亟待一种高性能碳环密封。与传统碳环密封相比,自适应分瓣式碳环密封结构简单、加工方便且泄漏性能优良,使用寿命有较大优势。本文针对自适应分瓣式碳环密封,从密封跑合阶段和工作阶段,对密封间隙形成机理以及密封的全工作流程性能和变化规律展开系统性研究。通过分形理论表征密封端面质量,建立自适应分瓣式碳环密封工作性能模型。考虑密封端面实际粗糙情况求解Archard磨损方程,研究密封端面的动态磨损情况。得到石墨环端面磨损量、摩擦应力分布。分析密封跑合阶段热平衡情况,计算摩擦热以及对流换热系数,得到密封组件的温度分布;耦合温度场和结构场计算密封组件热弹变形,得到石墨环与金属跑道径向变形以及密封工作间隙。在正常工作阶段,求解流体膜雷诺方程,得到流体膜压力场和速度场分布。为跑合阶段摩擦磨损与正常工作阶段密封性能计算提供理论依据。分析跑合阶段操作参数与端面质量对密封端面磨损状态变化的影响规律。结果表明端面质量对跑合所需时间有较大影响,端面质量的改善会导致跑合所需时间显著增长。采用跑合所需时间和峰值温度双因素优化方法,取得了自适应分瓣式碳环密封的最优工况条件和端面质量。研究自适应分瓣式碳环密封工作流程间隙变化,得到石墨环与金属跑道径向变形情况,总结密封工作间隙形成机理。结果表明自适应分瓣式碳环密封针对不同工况能形成自适应工作间隙。研究压力和转速等工况参数和石墨环、金属跑道材料对密封工作间隙的影响,发现在跑合阶段操作参数和材料选择不当时,密封在正常工作阶段可能发生碰磨的可能性增大。在密封的设计中应充分考虑操作参数和材料对工作间隙的影响。分析密封间隙流体流动特性,求解开启转速、开启阻力、实际偏心率、泄漏率等密封性能参数。分析了压力、温度、转速等工况参数和石墨环、金属跑道材料以及节流长度、载荷系数、径向弹簧力等结构参数的影响。研究表明:节流长度和载荷系数是影响密封性能的敏感参数,节流长度越长,载荷系数越大,密封性能越好。径向弹簧力是影响密封性能的非敏感参数。搭建了自适应分瓣式碳环密封试验装置。测量了密封静压和运转工况下的泄漏量,验证了数值模拟结果的准确性。采用温度测量装置测量了密封工作流程的温度变化情况。采用电涡流传感器测量密封环在不同扰动情况下的扰动值,验证了自适应分瓣式碳环密封的优良的运转稳定性。通过本文的研究,得到自适应分瓣式碳环密封的间隙形成机理,以及密封在跑合阶段摩擦磨损性能和正常工作阶段的性能变化规律,提出密封工作过程的间隙优化方法,为自适应分瓣式碳环密封的设计和优化提供理论基础。