篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

转动和旋流对压气机级间封严影响的数值研究

对压气机级间封严篦齿进行了流场数值模拟。基于文献实验数据,进行了湍流模型的验证。在稳态条件下获得了带有进出口旋转盘腔的篦齿泄漏特性、风阻温升特性和旋流特性,对比了系统特性和篦齿特性。研究了转速(3~12kr/min)和进口旋转比(0~0.4)对级间篦齿密封的流量系数、风阻温升和出口旋转比的影响。结果表明随着转速的增大,流量系数减小,风阻温升和出口旋转比增大;随着进口旋转比的增大,流量系数和风阻温升减小,出口旋转比增大。     

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.      

入口旋流对旋转篦齿封严特性的影响研究

旋转因素对篦齿的封严特性具有重要的影响,数值研究了具有不同旋流比的入口气流对旋转直篦齿泄漏特性和风阻特性的影响。通过与试验数据对比,进行了湍流模型的选取和验证。在不同压比工况下,获得了不同入口气流旋流比对篦齿的泄漏特性、出口旋流和风阻温升的影响。结果表明:入口旋流比对泄漏系数影响较大,旋流比增加泄漏系数降低;不同入口旋流比对出口旋流的影响不同,甚至影响趋势相反;不同入口旋流条件下,风阻温升均随压比增大而减小;当压比大于1.3时,入口旋流比越大,风阻温升越小;当压比小于1.3时,风阻温升随入口旋流比增大而增高。最后,引入"有效总压"参数,它能够更准确指导分析入口旋流对篦齿泄漏流量影响。     

旋流和风阻温升下压气机级间篦齿封严空气网络计算模型

以压气机级间篦齿封严结构为研究对象,将封严系统简化为典型元件组成的空气网络,建立相应的元件流动特性计算模型。篦齿封严泄漏特性计算模型中没有考虑旋流和风阻温升影响的问题。特别采用一维流基本方程组进行描述旋转盘腔内的旋流,转子壁面摩阻应用经验关系式计算,方程组采用龙格-库塔法求解。旋转盘腔一维工程计算获得其旋流速度和风阻温升分布。根据旋流速度的大小,采用面积修正法对篦齿封严的泄漏特性计算方法进行了修正,并通过考虑流体物性随沿程温度变化来考虑风阻温升的影响。考虑旋流与温升的泄漏流量计算结果与数值计算结果最大相差1.4%,而不考虑旋流及风阻温升时最小偏差为9.9%,最大偏差为20.1%。一维工程计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合良好,相对偏差不超过7%。计算中采用实测的篦齿间隙,该间隙通过在旋转篦齿实验中测量转子的转动变形与受热膨胀,以及机匣的热变形而获得。      

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.      

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。     

航空发动机空气系统验算标定

利用流量特性试验得到的相关流路元件的流阻计算模型,和旋转状态下阶梯齿风阻温升计算方法,通过调节封严篦齿间隙等参数,对航空发动机空气系统的压力、温度进行验算标定,并根据验算结果分析发现后续试验中存在和需要注意的问题。验算标定结果表明:通过对发动机试验工况的验算标定,可发现试验中存在的问题,较准确地模拟出后续试验中的问题和试验风险,确保发动机的工作安全,并为空气系统的进一步改进和优化提供依据。     

高转速下台阶篦齿流动特性的实验与计算

对航空发动机压气机级间台阶篦齿封严进行了实验与计算研究。在不同压比(1.05~1.3)下,研究了转速(1.5~7.2kr/min)对篦齿的工作间隙变化、泄漏特性、温升特性和旋流特性的影响,并选取典型实验工况进行了数值模拟。研究表明实验结果与数值计算结果符合良好。随转速的增大,工作间隙减小,泄漏流量降低,两者最大降幅在40%左右;较小压比时流量系数微弱降低,较大压比时流量系数微弱增大。系统风阻温升随转速的增大而增大,且转速越大温升越快,最大温升为36K。另外,出口旋转盘腔同一径向位置的旋转比随转速的增大而增大,最大可达0.398;同一转速下,随出口旋转盘腔径向位置的增大,旋转比降低。     

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.