盘缘篦齿封严特性的数值模拟

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篦齿封严被广泛运用于航空发动机上，用于阻隔高低压腔之间的流体泄漏lI。随着航空发动机性能的不断提高，封严的泄漏已成为影响发动机性能的主要 素之-↑年来，由于循环压力、温度等的增高，转子速度加大，使得封严的工作条件 日趋恶劣，封严及其导致的问题 日显突LIJ，对发动机的性能 、可靠性、寿命和维护性都产生了重大影响。在高速旋转的涡轮机械中，为了减少气体不必要的泄漏，保持各个腔室里的T作压力，通常需要采用篦齿装置来进行非接触密封。轴向篦齿封严的类型有很多，常用的有直通式[21、台阶式I I、错齿式、刷式等几种。关于这些常见篦齿种类的实验和数值模拟丁作，已有前人研究并得m了结论 盘缘篦齿封严 ，它是-种新型的篦齿封严结构，其作用 仅仅在于密封 ，更主要的是为 防止燃气通道的高温燃气入侵涡轮盘腔。目前周内对它的研究还很少，相关研究文献更是几乎没有，国外 学者有进行过对盘缘篦齿热流场的相关数值模拟及实验。所以研究盘缘封严的结构特点、泄漏特性对改进封严结构，提高封严效果具有工程指导意义。 ，2数值模型2.1计算模型研究对象是某型发动机的盘缘篦齿结构，其二维结构示意图，如图 1所示。图中： -轴向间隙；瑚 向间隙； -旋转直径，单位均为him。

次流人口图 1盘缘篦齿结构示意图Fig.1 Sketch of Rim I abyrinth Sealing Structure22网格及边界条件设置南于盘缘篦齿结构的不对称性和复杂性 ，若采用结构型网格，网格倾斜度太大，计算结果误差较大，因而采用误差较小的非结构化网格。在计算过程中，考虑到封严系统属于小流量、微通道类型，在IⅢi网格时，对齿顶处和齿腔中部分地方进行 r网格加密，斓格数为(30000～50000)之间。齿腔网格图，如图2所示。

来稿日期：2012-09-29作者简介：胡城镇，(1987-).男.安徽准南人， 渎硕 ±：研究生，主要研究方向：流动与传热；于锁芳，(1963-)，男，汀苏金坛人，教授.博 l：生导师，主要研究厅向：流动与传热第7期 胡城镇等：盘缘篦齿封严特性的数值模拟 95数值模拟采用标准 RNG k-8湍流模型，Simple算法对篦齿内部流厨行模拟。RNG k-模型耗散方程产生项的计算考虑了主流的时均应变率，对同-问题不仅与流动情况有关，还与空间坐标有关。相对标准 k-8模型，具有较高的精度和准确度蛔，为此选择 RNG k-8湍流模型。边界条件主流通道为压力进口和压力出口，次流进 口也为压力进 口，总压给定，主流进出口温度均为1400K，壁面设为绝热，采用标准壁面函数法。

图2齿腔I碉格，下意图Fig.2 The Grid of Cavity3数值模拟结果及分析篦齿封严结构中，以篦齿的泄漏系数作为评价其密封效果优劣的主要依据。泄漏系数 定义为17： ， 、/ /( A)式中： -气体的实际质量流量 ；To，P 苞齿盘次流进 El处气流的总温和总压；A1T·h· -篦齿齿间间隙的泄漏面积； -篦齿盘直径；s-篦齿的齿间间隙，也就是这里的轴向间隙。

3.1转速对泄露系数的影响转速对泄露系数的影响情况，如图 3所示。由图 3可以看出，在各个齿腔结构下，泄露系数随着转速的增加，基本上呈-条直线，总体变化不大，只是在转速大于 5000r/rain以后才略微有所增加。出现这种现象的原因可能是转速越高，对篦齿间气流流动状态的改变越大 ，进而导致泄漏量加大 ，封严效果越差。但就总体而言，转速对篦齿封严的影响不明显。

转 速 rIm)图3转速对泄露系数的影响Fig.3 Efect of Rotationn1 Speed on the Leakage Coefficient3.2齿数对泄漏系数的影响由于盘缘篦齿具有尺寸小，转速高的特点，旋转件上只能安放较少的齿，因而在原有单个转动齿的模型基础上，又增加了-个齿，变成了具有两个齿的结构。通过对比单个齿和两个齿的封严效果，齿数对泄漏系数的影响情况，如图4所示。由图4可以看出，在 s2.73间隙下，随着齿数 Ⅳ的增加，泄漏系数明显减小，这是篦齿的多次节流产生的效果。并且，齿数 Nl的工况的泄露系数随着转速的增加增长较快，达到了21.87%，然而齿数 N2的工况，泄露系数的增加则缓慢了许多，只有 5.7%。所以，在相同的工况下，齿数的增加可以有效的降低次流通道的泄漏量，但是要想取得更好的效果，最好改进现有的齿腔结构。

籁1幢割图4齿数对泄露系数的影响Fig.4 Effect of Labyrinth Number On the Leakage Coefficient3.3篦齿腔中流场分布Nl和N2在 lO00r/min下的速度矢量图，如图5所示∩以很明显的看到气体在齿腔内的流动情况。由图5(a)可以看到，来流经过径向间隙处I嗣节流作用速度增加，带动左下方空腔中的流体形成涡旋，在齿尖处再次收缩流速增加，冲向上方的静止件壁面改变流动方向，进而在右下方又形成-个涡旋。图5(b)比图5(a)多增加了-个齿，导致图 b的径向间隙 d减小，流速相对于单齿更大-些，并且形成的涡旋也比单齿多两个 ，分别是在两齿间间隙处和左上方的空腔处，增加了能量的耗散，这正是两齿比单齿封严效果更好的原因。

(a)Nl(b)N2图 5齿腔内速度矢量图Fig.5 Velocity Vector of Cavity机 械设 计 与制 造NO.7July.20133.4间隙的影响3-4.1轴向间隙的影响轴向间隙s对泄露系数的影响情况 ，如图6所示。由图 6可以看出，在相同的径向间隙 d下 ，不同的轴向间隙s之间，泄露系数差别较大，其中以sO.73工况下的泄露系数最大，封严效果最差，s3.73工况下的泄露系数最小，封严效果最好，这与直通型篦齿封严特性有着相似的特点。并且，在相同的 d下，从 sO.73到s3.73，各个工况下的泄露系数之差是呈递减趋势的。篦齿次流进出口压比的影响可能是出现这种现象的原因之-，间隙的减小相应压比明显增大 ，此时气体进出口压差较大，气流速度较大 ，将使得流动的核心区向壁面扩展，从而壁面附面层减薄，有效流通面积相对增大，表现出泄漏系数较大。

0.0800.0750.0700.65O.0600.0550.050鳖00.O400.0340.0300.0250.0201j5幢(b)d3.14图6轴向间隙s对泄露系数的影响Fig.6 Effect of Axial-Clearance OI3 the Leakage Coeficient34.2径向间隙的影响辍雌(b)s1.73(C)s2.73(d h3.73图7径向间隙d对泄露系数的影响Fig.7 Effect of Radial-Clearance on the Leakage Coefficient在相同的轴向间隙s下，不同的径向间隙d2.14和 d3.14对泄露系数的影响，如图7所示。从总体上看，径向间隙小的咀 要比间隙大的封严效果好，而且，泄露系数的降低幅度平均在 12%左右。径向间隙的降低，使得流体经过间隙后流速增加，然后以将近 90。的方向冲向静止壁面，并且带动下方空腔中的流体形成小涡旋，这就造成了能量的耗散，使得泄漏量减校4结论通过对篦齿封严结构数值模拟研究，得出结论：(1)转速对篦齿封严的影响不明显，转速影响泄漏系数的界限为 5000r/min；(2)两个齿的封严效果比单个齿的好，用增加齿数的方法来减小泄露系数是有效的；(3)在同-径向间隙 d下，轴向间隙S越大，封严效果越好 ；嘟 啪耋； 啪㈣ ㈣ 哪㈣ 啪No.7July.201 3 机 械设 计 与 制造在同-轴向间隙 s下，径向间隙 d越小，封严效果越好。