刷式密封是一种优良的柔性密封技术,已广泛应用于航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机中。然而,基本型刷式密封在工作中会由于刷丝与刷丝、刷束与后档板间的摩擦力作用产生滞后效应,导致泄漏量增大。为减弱滞后效应,1996年国外提出了刷束与后挡板间带减压腔的低滞后结构。目前,国内外缺乏分析刷式密封泄漏滞后效应的计算模型,更鲜有研究关注低泄漏、低滞后刷式密封结构的优化设计,而这些对于其工程设计是至关重要的。本文将开展刷式密封泄漏滞后效应试验研究,由此建立泄漏滞后效应计算模型,并对低滞后刷式密封结构进行优化设计。首先,本文建立了多排错排排列刷丝的三维有限元模型,对转子径向瞬时往复偏移作用下刷丝束变形滞后效应进行了数值研究。结果表明:对刷丝束变形滞后效应影响最大的结构参数分别为刷丝直径、刷丝排列角和减压腔轴向宽度。由此对刷式密封试验件的结构进行设计。其次,本文设计并加工了六个不同刷丝直径d、刷丝排列角β和减压腔轴向宽度w的刷式密封试验件,进行了上下游压差升降循环、转子转速升降循环和转子直径增减循环的泄漏和滞后效应试验。试验结果表明:动态下的滞后效应较静态时的弱;d越大,泄漏量越大,但在高压差下其滞后效应较弱;β越大,泄漏量越大,滞后效应也越强;基本型结构的泄漏高于低滞后结构,其动态下的滞后效应也较低滞后结构的强;w过大或过小都会造成泄漏量增大,同时滞后效应也会增强。再次,基于泄漏滞后效应试验数据,本文建立了泄漏滞后效应计算模型。将刷束区域处理为多孔介质,建立刷式密封泄漏流动的三维CFD模型。根据相同条件下泄漏量计算结果与试验数据匹配(两者误差小于2%)的要求,分别对压差升、降循环和转子直径增、减循环中刷束的孔隙率进行修正,由此建立压差上升阶段与压差下降阶段以及转子直径增大阶段与直径减小阶段的孔隙率随压差、转速、刷丝直径、刷丝排列角和减压腔轴向宽度等参数变化的关系式,此即为泄漏滞后效应的计算模型。最后,本文对低滞后刷式密封结构进行了优化设计。以低泄漏、低滞后为优化目标,以刷丝直径、刷丝排列角和减压腔轴向宽度为设计变量,以限定范围的泄漏系数作为约束条件,建立了刷式密封结构优化设计的数学模型。然后,采用代理模型与粒子群优化算法相结合的方法对刷式密封进行了结构优化设计。结果表明,在设计变量的限定范围内刷丝直径为0.09mm、刷丝排列角为40°、减压腔轴向宽度为0.6mm的结构满足低泄漏、低滞后要求。