航空发动机中直通式篦齿密封腔内流动和换热的实验研究

作者自行设计了大尺寸吸气式篦齿换热风洞实验台并通过它对篦齿腔中的内部流场进行了详细的研究, 得出了篦齿腔中速度场和压力场及流场内部旋涡分布规律。同时测量了在不同雷诺数、齿顶厚和齿隙比工况下, 篦齿腔内二维流动状况及旋涡分布, 分析得出不同雷诺数和齿隙比对篦齿腔内部流场的影响。并且测量了篦齿顶板表面的温度和换热系数的分布, 得出雷诺数和齿顶厚与齿隙比对篦齿顶板局部换热规律的影响      

直通式封严篦齿内部流动和换热的实验研究

为了研究外界因素对高推动比航空发动机中密封装置性能的影响,介绍了在吸气式内流传热风洞实验台测量了不同雷诺数和不同齿顶厚和齿隙比的工况下对篦齿腔内部流动的影响规律, 并利用该实验台对篦齿顶板表面的换热特性进行了研究． 测量结果说明了在篦齿腔中旋涡的分布及雷诺数变化对旋涡分布的影响．并得出了在不同雷诺数和Ｔ／Ｃ工况下对篦齿顶板表面换热特性的影响     

航空发动机篦齿封严特性数值模拟

本文运用数值计算方法,从分析齿腔内流场和篦齿顶板换热的角度研究了篦齿的封严特性。通过多种工况的计算,分析了雷诺数和齿顶宽与齿隙之比（T／C）对篦齿腔内流动、压降损失以及齿腔顶板换热系数的影响。计算数据和实验数据吻合良好,误差较小。研究表明：雷诺数、齿顶宽与齿隙之比影响着齿腔内部流动和换热的状态,是决定篦齿封严效果的主要因素。     

静态封严篦齿内部流动与换热的数值计算

建立二维篦齿模型,运用数值方法,从分析齿腔内流场和篦齿顶板换热的角度研究了篦齿的封严特性.通过多种工况的计算,探讨了雷诺数、齿顶宽和齿隙之比对篦齿腔内流动、压降损失以及齿腔顶板换热系数之间的关系.计算数据和实验数据进行比较,发现变化规律一致,误差较小.研究结果表明:雷诺数、齿顶宽和齿隙之比影响着齿腔内部流动和换热的状态,是最终成为决定篦齿封严效果的重要因素.      

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.      

热边界对封严篦齿性能影响的数值计算

为了解热边界对封严篦齿的流动特性的影响,本文采用标准k-ε模型QU ICK格式、非结构化网格和S IM PLE算法,数值模拟了模化的热态封严篦齿的流动特性。求解了速度场、温度场和压力场,分析了流场特性。计算结果表明:不同压比下,热边界热流增加泄漏减小,增强了封严效果。热流密度对泄漏系数的影响规律基本呈线性变化关系。热量传递的不均匀性会导致篦齿腔内出现小旋涡,也增强了封严效果。小旋涡出现位置和旋涡大小与热边界端面的传热量和封严段前后压比有关。      

篦齿封严尺寸缩放与气流温度变化对流动与传热影响试验研究

利用矩形、梯形齿篦齿封严直通齿模型,将真实尺寸篦齿封严等比例放大,对真实尺寸模型与放大模型的流动与换热特征进行了试验研究与对比分析,并研究了气流温度变化对流量系数的影响。研究发现,放大模型与真实尺寸模型的流量系数与努赛尔数均随雷诺数增大而增大,在雷诺数相同时两者的流量系数与努赛尔数基本相等,最大差值分别为5.3%和9.7%。放大模型较好地保持了真实尺寸篦齿封严狭小空间流动与换热特征。研究还发现,在加热条件下,流量系数相比冷态条件下有所减小。     

齿间浅槽结构对直通篦齿封严特性影响的实验

在早期研究的结果上,提出了一种齿间浅槽结构的直通齿衬套,即在与篦齿齿腔正对的衬套上加工制成浅槽.这种齿间浅槽破坏了壁面射流附面层的轴向连续性,导致射流流经浅槽后向篦齿齿腔发生小角度偏转,这样能有效地降低直通篦齿的透气效应,进而降低泄漏量.实验结果表明,相比于传统的光滑衬套,浅槽泄漏系数显著降低,其中矩形浅槽下降15%,...     

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。      

基于逆向射流抑制封严篦齿泄漏流动的数值及实验研究

针对一直通型篦齿通道进行了二维数值模拟，建立了9种封严结构模型，重点研究了位置和角度变化时逆向射流对篦齿内部流场的影响，探讨了不同模型下篦齿前后压比与泄漏系数的关系，发现各工况下的逆向射流在一定程度上都能够增强篦齿的封严效果，并且射流角度越小，密封性能越佳，射流位置在第一节齿腔中间时，抑制泄漏的效果最佳，当射流角为45°，射流位置在第一齿腔中间时，泄漏系数相对不带逆向射流时能够降低11.5%。在此基础上，进行了带逆向射流的二维直通型封严篦齿实验，在不同的压比下，用PIV分别测量了3种射流角度和3种射流位置下的篦齿通道内部流场，实验结果与数值计算变化规律一致。      

台阶式篦齿封严特性试验与数值研究

本文在二维平面篦齿试验台的基础上,利用试验研究与数值计算相结合,对台阶篦齿进行了几何参数和气动参数影响下的篦齿流动特性研究。结果表明,流量系数随压比的增大而增大;在低雷诺数范围,流量系数随雷诺数的增大而增大,在高雷诺数范围,流量系数随雷诺数增大基本不变。齿数研究中,随着齿数增多,流量系数减小。齿顶间隙研究中,随着齿顶间隙的增大,流量系数减小。     

压比和雷诺数对压气机级间篦齿封严流动特性的影响

为了解压气机级间封严的流动特性,以某航空发动机压气机为研究对象,对带有进出口旋转盘腔的级间篦齿结构进行了数值模拟.在压比范围为1.05~1.30,雷诺数范围为100~50000下,研究了压比和雷诺数对篦齿泄漏特性、旋流特性和风阻温升特性的影响,对比了包括篦齿和进出口旋转盘腔的系统参数与仅含篦齿的直齿参数的不同.计算结果表明进出口旋转盘腔对篦齿的流动特性有较大的影响;随着压比的增大,流量系数增加,封严效果下降,出口旋转比和风阻温升减小;随着雷诺数的增大,流量系数明显增大,出口旋转比和风阻温升也显著减小;在高雷诺数时,流量系数、出口旋转比和风阻温升变化幅度微小.      

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.     

齿间凸起对直通篦齿封严特性影响的数值研究

为提升篦齿的密封性能,对在齿间光滑衬套上增加矩形凸起的直通篦齿的流动特性进行了数值研究,分析了压比、凸起的尺寸和轴向位置对篦齿泄漏特性的影响。和光滑齿相比,凸起破坏了壁面射流附面层的连续性,改变了流体在齿腔中的流动方向,有效地提高了通道的密封性能,降低了通道的泄漏量。结果表明,当压比为2时,含有凸起结构的篦齿的泄漏系数较光滑齿降低了13%,当压比增加到4时,泄漏系数更是降低了18%;凸起的高度越大宽度越小,凸起对篦齿密封性能的提高就越明显;凸起和下级齿之间的轴向距离越短,凸起对流入下级齿的气体流动方向改变就越大,密封性能也就越好。     

一种盘缘篦齿临界特性的数值分析和试验验证

采用数值模拟和试验相结合的方法,分析了临界(最大马赫数为1)工况下篦齿齿腔的内部流场,研究了旋转效应对盘缘篦齿临界特性的影响。结果表明:当进出口总压比由2.23增至2.36,SST湍流模型与试验结果最大误差为4.4%,较为准确地模拟了试验状态;临界流动截面并不一定位于真实结构最小截面处,其所处位置与篦齿齿腔形状密切相关;进出口总压比超过临界压比([p*inp*out]=2.28)后,篦齿泄漏系数仍会有所增加;当泰勒数由6.25×103增至3.75×104,旋转效应使得附面层增厚,篦齿泄漏系数减小。     

基于三维模型的偏心鼓筒气动特性分析

为了获取篦齿封严鼓筒齿腔内的压力分布,掌握鼓筒气动特性情况,建立了带封严篦齿鼓筒的三维流场通道模型,计算转静子同心和不同偏心量条件下鼓筒表面静压,分析气动载荷作用下鼓筒的力学特性.仿真结果表明:偏心量的变化使表面静压出现复杂变化,周向静压幅值变动明显,最大偏心量下的静压幅值比无偏心时增长3倍;偏心引起的周向静压波动使鼓筒应力幅值最大浮动3%左右.      

直通型篦齿封严特性的试验

对真实尺寸下直通型篦齿的封严特性进行了试验,考察了几何参数及转速对篦齿封严特性的影响,结果表明:①在试验范围内,篦齿泄漏系数均随雷诺数的增加而增大;②泄漏系数随齿数的增加而降低;③同一雷诺数下,间隙较小时泄漏系数较大;④小间隙(s=0.4,0.5 mm)时,转速对泄漏系数的影响不大;间隙为s=0.6 mm时,转速影响泄漏系数的界限为2 000 r/min.      

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.      

叶尖及尾缘出流条件下内部冷却通道换热实验

为掌握某型高压涡轮叶片叶尖及尾缘出流流量分配比例对内部冷却通道换热特性的影响,利用瞬态液晶测量技术研究不同进口雷诺数、4种出流流量分配比例下局部换热分布规律及平均换热变化趋势.实验结果表明:相同出流流量分配比例、不同进口雷诺数下局部换热分布规律相似,出流流量分配比例对局部换热分布规律有决定性影响,主要体现在第2及第3通道,叶尖出流孔1出流会削弱这两个通道的局部及平均换热;叶尖出流孔2和尾缘间出流流量分配流量比例变化对第1、第2通道的局部及平均换热影响不大,影响主要在第3通道,提高尾缘出流流量分配比例会显著增强第3通道局部及平均换热.      

冠齿喷嘴射流冲击平直靶面对流换热实验

利用红外热像仪测试了冠齿喷嘴射流冲击平直靶面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为1~8范围内,与普通圆管射流进行了对比,并对冠齿数和冠齿长度的影响进行了初步分析。研究结果表明,冠齿射流冲击对流换热显著高于圆形射流,在小冲击间距下,冠齿射流冲击的局部对流换热系数分布在冲击驻点附近呈现明显的梅花瓣状特征,当射流冲击间距比达到4以后,冠齿射流的局部对流换热系数分布则呈现出常规圆形射流冲击的特征;以2倍或4倍射流直径作为区域平均范围,冠齿射流的区域平均努塞尔数相对圆形射流的增加幅度在15%~30%之间,相对增加幅度与射流雷诺数和射流冲击间距比相关;在本文的冠齿结构参数范围内,冠齿伸出长径比为0.6的6-冠齿结构取得的射流冲击强化传热效果较优。