直通式篦齿封严特性的数值分析和试验研究

封严篦齿是航空发动机空气系统中的重要流阻元件.本文采用RNG k-ε噌湍流模型对典型直通式篦齿的封严特性进行了数值计算分析,获得了不同压比和封严间隙下篦齿泄漏流动的速度场和压力场.并对真实尺寸直通式篦齿在转、静态下的封严特性进行了试验研究,重点研究了压比(1.08～2.50)、转速(0～10 000 r/min)、相对封严间隙s/b(1.5、2.0)对流量系数的影响和齿腔内部的压力分布.结果表明,流量系数随压比和相对封严间隙的增加而增大,随转速的增加而减小;在高转速和小压比条件下,旋转对流量系数影响显著.     

基于数值模拟的矩形凹槽对直通型篦齿封严特性影响研究

为了提升封严篦齿的封严性能,对在机匣上开设矩形凹槽的直通篦齿结构中的流动特征和封严性能进行了数值模拟,获得了凹槽篦齿的涡流结构、泄漏系数和封严效率,并与光滑篦齿的结果进行了对比.研究了凹槽尺寸、相对位置及压比和转速的影响.计算表明,矩形凹槽宽深比是影响凹槽篦齿封严性能的重要参数,当宽深比大于临界值时,相对于光滑齿的封严效率可大幅提升到15％左右.凹槽与篦齿间的轴向相对位置在一定范围内对凹槽齿的泄漏系数影响微小.数据还显示,压比和转速对凹槽齿的封严性能影响微小.     

考虑间隙变化的旋转篦齿流动特性实验

对台阶型封严篦齿流动特性进行了实验研究。考虑齿顶间隙变化,研究了不同压比(1.1~1.6),不同转速(0~8 100r/min)对篦齿泄漏流量、流量系数、风阻温升的影响。通过测量转盘和静止机匣的径向变形来获得篦齿工作间隙。利用插值法保证间隙一定,研究了转速这一个单一变量对篦齿封严流动特性的影响。结果表明:随着压比增大,泄漏流量增大,流量系数增大,小压比(压比为1.3)时增长较快,齿顶间隙微弱降低,风阻温升减小。随着转速的增加,泄漏流量和流量系数降低,齿顶间隙减小,风阻温升增大。间隙一定时,转速增加有利于提高篦齿密封特性。     

旋转封严篦齿风阻温升的试验研究与数值分析

选取具有典型封严结构的真实尺寸台阶型封严篦齿,通过高速旋转条件下的风阻温升特性试验,进行了进出口压比(1.05~2.8)、封严间隙与齿尖厚度比(相对封严间隙)(2.4~4.0)、雷诺数(1900~28000)及转速(0~12000r/min)等参数对篦齿泄漏流风阻温升的影响研究.并基于试验条件,采用renormalization group(RNG)k-ε湍流模型,对同一篦齿的风阻温升特性进行了数值计算.结果表明:篦齿泄漏流温升随进出口压比、雷诺数、封严间隙与齿尖厚度比的增加而减小,但随转速的增加而增大.数值计算结果与试验数据吻合 良好,台阶型封严篦齿第1道和第2道封严齿内的风阻温升最为显著,前两道封严齿内的温升占总温升的60%. 根据试验结果,提出了计算台阶型篦齿泄漏流温升的经验公式,其计算结果与试验数据具有较好的符合性.      

台阶篦齿与衬套轴向位置和转速对封严特性影响的实验

设计了上台阶和下台阶篦齿两组实验模型,研究了旋转和静止两种状态下篦齿进出口压比、篦齿与衬套轴向相对位置以及转速对封严特性的影响.结果表明:齿型结构尺寸相同时,上台阶篦齿和下台阶篦齿的封严特性相似,增加篦齿前后腔压比,台阶篦齿的泄漏系数增加;进口总压和总温一定时,齿间压力沿流动方向线性下降;台阶篦齿与台阶衬套的轴向相对位置的改变对台阶篦齿的泄漏量影响不大;低转速时旋转速度对台阶篦齿泄漏影响也不大.      

齿型对压气机级间封严特性影响的实验研究

为了对比不同齿型下压气机级间封严特性,对基准常规齿、直通针型齿、直通宝塔齿和台阶斜齿时的级间篦齿封严进行了实验研究。在压比1.05~1.30,转速0~8.1kr/min时对不同齿型的工作间隙、泄漏流量、风阻温升和出口盘腔的旋转比进行了测量。基准常规齿是级间最常用的篦齿结构,将其他三种齿型下级间封严的泄漏特性、温升特性和旋流特性与其进行对比。结果表明:随着齿顶间隙的增大,基准常规齿的流量系数先增大后减小,在间隙c=0.8mm附近有最大值;相同间隙时,台阶斜齿的封严效果最好,其流量系数比基准常规齿时小40%左右。直通针型齿、直通宝塔齿的封严效果略优于基准常规齿,三者相差不大;但是,泄漏流量越小,级间封严的温升和旋流越大。压比1.30时台阶斜齿与基准常规齿的温升比为1.5左右。另外,高转速时台阶斜齿比基准常规齿的旋转比大18%左右。     

篦齿封严泄漏特性的实验

为了研究工程实际尺寸下篦齿封严泄漏特性,设计并搭建了篦齿封严实验台.在进出口压比为1.1~2.0的条件下,探究了节流间隙、齿数、齿腔深度和宽度等对篦齿封严泄漏量和密封腔内压力分布的影响.结果表明:泄漏系数随着压比和节流间隙的提高而增加,但压比达到1.6后,增加趋势逐渐变缓;增加齿数能显著提高篦齿的封严性能,但随着齿数变多,效果逐渐减弱;较浅和较宽的齿腔对于提高篦齿的封严性能更有利;进出口压比、节流间隙和齿腔深度对于篦齿腔内压力系数的分布几乎没有影响;篦齿腔内沿程压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小;在篦齿封严中,越接近入口的齿腔对密封性能提高的贡献越大,对封严性能的优劣起着决定性作用.      

基于封严间隙的涡轮盘篦齿综合优化设计

为了降低涡轮盘级间封严发生碰摩的风险,同时保证封严效率不降低和涡轮盘质量不增大,对涡轮盘结构进行优化设计。利用有限元法对稳态下涡轮篦齿径向间隙进行确定性分析,结果表明:3道篦齿的间隙不同;以灵敏度分析的方式确定影响篦齿间隙与涡轮盘质量的关键尺寸,并将其作为优化的设计变量;综合考虑载荷、材料性能、尺寸参数的不确定性和转子不平衡振动进行间隙概率分析,发现第3道篦齿有碰摩的风险;建立以减小前2道篦齿间隙、增大第3道篦齿间隙和不增加涡轮盘质量为约束条件的综合优化模型,并用NSGA-II算法进行计算。优化结果表明:篦齿发生碰摩的风险降低了99.07%,涡轮盘质量减小了0.73%,在不同压比下流量系数减小了5.39%～6.01%,证明该综合优化方法可行。     

转静态封严篦齿流场的数值分析和封严特性的试验

采用标准k-ε模型及RNGk-ε模型验证了前人的试验结果,最大误差分别为2.5%,15.9%。对4道、7道环型直通式篦齿,在转静状态下采用非结构化网格和SIMPLE算法,求解了不同转速的速度场和压力场;并试验研究了不同转速、齿数工况的封严效果,探讨了篦齿前后压比与泄漏系数的变化关系。表明转速对篦齿封严的影响不明显,变化幅度在3.6%;低压比情况下,随着压比增大,在相同泰勒数变化范围内,泄漏系数略有增大。      

蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明：蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下（封严间隙大于0.5 mm）,蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动（频率大于120 Hz）时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。     

高转速袋型阻尼密封泄漏的特性

采用有限元分析和计算流体动力学耦合数值分析方法(FEA/CFD),研究了考虑转子系统由于高速旋转造成转子径向伸长效应时袋型阻尼密封的泄漏特性和流场形态.计算了密封间隙为0.13mm时,袋型阻尼密封试验件在3种压比、3种转速下的泄漏量,并与试验值和不考虑转子伸长效应的CFD数值模拟结果进行了比较,验证了所采用的FEA/CFD数值方法的可靠性(误差小于1.3%)和高转速下考虑转子伸长的必要性.研究了6种压比、6种转速下密封间隙为0.25mm的袋型阻尼密封的流场和泄漏量,分析了压比和转速对袋型阻尼密封泄漏特性的影响规律.结果表明:当压比大于0.26时,随压比的减小,袋型阻尼密封泄漏量逐渐增大;当压比减小到一定值时(π<0.26),泄漏流体的马赫数在最后一个密封齿间隙处达到1.0,即发生了堵塞,此时泄漏量达到与密封进口总压相对应的最大值;在高转速下,考虑和不考虑转子半径的伸长,密封泄漏量均随转速的增大而减小;在转子面周向马赫数大于0.35时,需要考虑转子半径伸长对泄漏量的影响.      

转速对压气机级间篦齿封严影响的实验

对压气机级间篦齿封严进行了实验研究.不同压比下（1.05~1.3）,研究转速（1500~8100r/min）对压气机级间篦齿封严的工作间隙变化、泄漏特性、温升特性和旋流特性的影响.结果表明:随转速的增大,工作间隙减小,流量降低;小压比时流量系数降低,较大压比时流量系数变化微小.系统风阻温升随转速增大而增大,转速越大时,其温升越明显.另外,随转速的增大,出口盘腔同一径向位置的旋转比增大;同一转速下,随出口盘腔径向位置的增大,旋转比降低.      

典型阶梯篦齿高转速密封性能试验

在高转速密封试验设备上，进行了实际尺寸阶梯篦齿压比(1.05～28)、相对密封间隙(齿尖密封间隙和齿宽比)(24～40)、泄漏流雷诺数(1900～28000)及旋转速度(0～12000r/min)等对密封性能影响的试验。结果显示:篦齿流量系数随压比变大而上升，随相对密封间隙变大而降低；转速低于5000r/min时，旋转对篦齿流量系数影响不明显，高转速、小压比时，篦齿流量系数随转速的升高而降低，降幅超过301%；较小雷诺数下，篦齿流量系数随雷诺数的减小快速降低，雷诺数超过6000以后，篦齿流量系数受雷诺数的影响不明显；气流通过阶梯篦齿第一道齿的压力损失最小，通过最后一道齿的压力损失最大，通过中间各齿的压力损失相当。基于试验测试数据，修正了典型阶梯篦齿流量系数的求解关系式，修正后的关系式计算值与实测值吻合良好。      

刷式密封泄漏和传热特性影响因素的数值研究

刷式密封作为接触式密封,刷丝与转子之间的摩擦热直接影响到密封封严性能和使用寿命,为向高性能刷式密封的设计提供参考,采用数值求解基于Non-Darcian多孔介质模型的ReynoldsAveraged Navier-Stokes(RANS)和局部非热平衡能量方程并结合有限元方法,建立了考虑刷丝束与转子摩擦热效应的刷式密封泄漏和传热特性分析的数学模型。研究了运行工况转速与压比和后夹板围栏高度对刷式密封泄漏和传热特性的影响规律。结果表明:不考虑刷丝束与转子的摩擦热效应时,刷式密封的泄漏量随转速升高略微降低;考虑摩擦热时,泄漏量因转速升高而显著降低,转速为8kr/min时泄漏量降低到0转速时的69%。刷丝最高温度随转速、压比和围栏高度增大而升高,刷丝束内部温度沿径向降低速率随压比和围栏高度增大而加快。高转速工况下转子产生离心伸长使其与刷丝之间的干涉量增大而影响摩擦热效应。     

蜂窝密封泄漏特性理论与实验

蜂窝密封的泄漏特性直接影响航空发动机的工作效率。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法系统研究蜂窝密封的泄漏特性。建立了蜂窝密封流场特性CFD求解模型,数值分析了转速、进出口压比、蜂窝孔对边距、蜂窝孔深、蜂窝壁厚等因素对密封泄漏量的影响,揭示了蜂窝密封的封严机理。设计搭建了蜂窝密封泄漏特性实验台,实验研究了进出口压比、转速等因素对蜂窝密封泄漏特性的影响。数值分析与实验测试相互验证,在此基础上,考虑蜂窝密封泄漏特性影响因素,结合传统经典迷宫密封泄漏量Egli公式,构造了蜂窝密封泄漏量计算公式。研究结果表明,蜂窝密封的孔深、对边距和壁厚是通过影响蜂窝孔中涡系的发展和蜂窝孔的密度来影响泄漏量的。涡系发展的越充分,蜂窝孔的密度越大,蜂窝密封的泄漏量就越小;转速对蜂窝密封泄漏量影响较小;蜂窝密封的泄漏量随进出口压比的增加而增大,两者近似呈线性关系;随着蜂窝孔深度增加,蜂窝密封泄漏量先逐渐减小后逐渐趋于平稳;随着蜂窝孔对边距增加,密封泄漏量先减小,后出现了小幅度的增加;随着蜂窝壁厚的增加,蜂窝密封泄漏量先近似线性增大后缓慢增大。本文研究为蜂窝密封结构设计提供理论依据。     

Rotordynamic characteristics prediction for scallop damper seals using computational fluid dynamics

Enhancing damping characteristic is one of the effective methods to solve the instability problem of the rotor system. The three-dimensional numerical analysis model of scallop damper seal was established, and the effects of inlet pressures, preswirl ratios, rotational speeds, interlaced angles and seal cavity depths on the rotordynamic characteristics of scallop damper seal were studied based on dynamic mesh method and multi-frequencies elliptic whirling model. Results show that the direct stiffness of the scallop damper seal increases with decreasing inlet pressure and increasing rotational speed and cavity depth. When the seal cavity is interlaced by a certain angle, which shows positive direct stiffness. The effective damping of the scallop damper seal increases with the increasing inlet pressure, the decreasing preswirl ratio and the rotational speed and cavity depth. There exists an optimal interlaced angle to maximize the effective damping and the system stability. The leakage of the scallop damper seal is significantly reduced with decreasing inlet pressure. The preswirl will reduce the leakage flowrate, and the rotational speed has a slight effect on the leakage performance. The leakage of the scallop damper seal decreases with increasing seal cavity depth.     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

低前挡板型小尺寸刷式封严泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了实验研究.转子的轴心位移采用电涡流传感器进行测量，其测量结果表明:压差小于0.4MPa时，转子轴心位移随压差的增大略有减小；当压差达到0.4MPa后，其轴心位移范围不再随压差而变化；在不考虑磨损的情况下轴心位移对不同配合状态的封严泄漏特性基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上，试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小；间隙配合下有明显的滞后，过盈配合下滞后不明显；磨损对泄漏的影响在过盈配合下比较显著；间隙配合下压差在0.1～0.2MPa泄漏系数随压差的升高而增大，压差为0.3MPa时泄漏系数降低，0.3MPa以后泄漏系数变化趋于稳定；过盈配合下泄漏系数随压差的升高总体呈增大趋势，压差在0.3～0.5MPa时增大的趋势较小，泄漏系数较为稳定.      

基于三维实体建模的刷式密封传热机理数值研究

建立了基于三维实体建模的刷式密封传热特性求解模型,在验证数值模型准确性的基础上,分析了刷式密封流场与温度场分布特性,研究了压比、转速、干涉量和热流密度对刷丝最高温度的影响,揭示了刷式密封的传热机理。结果表明:高温区主要集中在末排刷丝与转子面接触位置,刷丝的最高温度随着压比、转速、干涉量和热流密度增加而增大,其中干涉量对刷丝最高温度的影响最为明显。当干涉量从0.1 mm增至0.7 mm时,刷丝的最高温度上升1.61倍;刷式密封热量的主要来源为刷丝与转子表面摩擦产生的热量,其传热形式包括导热和对流换热,摩擦热量通过导热形式进入刷丝和转子,当刷丝与转子之间的接触力增加时,摩擦热量增大,刷丝的最高温度升高,摩擦热量通过对流换热形式在流体和固体之间进行传递,热量散失主要形式为泄漏气流带走部分热量。      

基于流固耦合的刷式密封泄漏特性理论与实验

理论与实验两方面研究了刷式密封泄漏流动特性及影响因素。建立了考虑刷丝变形的刷式密封泄漏流动特性流固耦合理论模型,实验研究了刷式密封泄漏量随进出口压比和转速等的变化规律,并与理论求解模型对比验证。在此基础上,运用理论模型分析了不同结构参数对密封泄漏量的影响规律,验证了构造的刷式密封泄漏量理论计算公式的准确性。研究结果表明:径向间隙一定时,刷式密封泄漏量随压比的增大而近似线性增加,转速对刷式密封的泄漏量影响不大;刷丝直径和刷丝间隙通过影响气体在刷丝束区域有效流通面积来影响泄漏量,有效流通面积越小,泄漏量越小;反之,则越大;随着刷丝直径、刷丝轴向排数的增大,刷式密封泄漏量逐渐降低;随着刷丝间隙的增大,泄漏量逐渐增大;随着后挡板保护高度、刷丝与后挡板轴向间隙的增大,泄漏量先显著增大后缓慢增加,最后趋于稳定;所构造的泄漏量理论公式可以准确预测刷式密封的泄漏量,为刷式密封结构优化设计提供理论依据。