柱面气膜密封技术是一项可应用于航空燃气轮机等高端旋转装备的关键核心技术,可实现高端旋转装备高参数下的非接触式运行,由其组成的密封系统对高端旋转装备系统的稳定性、低能耗比以及高可靠性有着至关重要的影响。目前,国内对柱面气膜密封柔性结构形式的分析研究较少,而柔性箔气膜密封结构作为柱面气膜密封结构的柔性结构设计之一,其柔性结构设计可以减小密封界面碰磨磨损,延长密封寿命,对提升高端旋转装备的动力学性能,具有重要的价值表征。本文基于箔片变形,展开对柔性箔气膜密封稳态特性、动态特性系数以及动力学特性的研究,分析其不同工况和结构参数下的密封变化规律及轨迹特征,且以不同表面状态下的气膜密封试验验证了数值分析方法的准确性。本文主要研究内容如下:首先,本文分析了柔性箔气膜密封的结构优势,在此基础上,设计了一种新型柱面变角螺旋槽,分析了其转速和压力等工况参数变化以及气膜膜厚和偏心率等结构参数变化下气膜密封性能的变化规律,并与传统螺旋槽、阶梯槽和T型槽界面对比。结果表明:与其他界面槽型结构相比,变角螺旋槽泄漏率较低,气膜力和承漏比较大,具有一定的槽型结构优势。其次,本文对柔性箔气膜密封的耦合结构形式进行剖析,求解动态特性雷诺方程,解析了柔性箔气膜密封的动态特性系数随偏心率、气膜膜厚、转速和压差的变化规律。由于柔性箔气膜密封的动力学特性受动态特性系数的影响,因此,本文在求解气膜密封动态特性系数的基础上,用Newmark法对柔性箔气膜密封-转子系统的动力学特性进行了分析求解,研究了转速、几何偏心率变化以及质量不平衡时,转子轴心扰动轨迹和幅值响应的变化规律,结果表明:几何偏心率对气膜密封转子系统的稳定性有更加明显的影响。最后,在数值分析的基础上,设计搭建气膜密封试验平台,试验分析了密封气膜表面状态发生变化时,气膜密封特性的变化规律,并与数值结果做对比,验证了稳态特性耦合分析方法的准确性;另外,气膜密封试验表明,柔性箔气膜密封存在密封迟滞现象,甚至发生了反迟滞现象,即转速加速期的密封泄漏率高于转速减速期的泄漏率,这是由柔性气膜密封的弹性元件、系统摩擦与工况变化共同导致的。在分析表面状态对气膜密封特性影响的同时,利用声发射技术采集了不同表面状态的声发射特征频率,其中心频率变化主要受气膜密封结构的影响,受密封压差和转速的影响可几近忽略,因而可用来监测柔性箔气膜密封的界面状态,为声发射技术在气膜密封的工程应用提供了试验依据。结果表明:随着表面粗糙度Ra≥0.8,气膜密封的密封特性将发生明显变化,数值理论分析的可靠性降低,试验泄漏率急剧上升,密封迟滞和反迟滞现象愈加明显;试验过程中,其采集不同表面状态下的声发射信号频率特征表明,柔性箔气膜密封等类柱面气膜密封声发射由于偏心结构引起的间隙变化,至少应存在两种中心频率。本文通过对柔性箔气膜密封动力学特性与表面状态分析,为进一步箔片结构设计和柔性气膜流场变化的耦合研究提供了理论基础和工程依据,有助于早日实现柔性箔气膜密封等柱面气膜技术的定量化设计。