1.5级涡轮实验台前腔燃气入侵实验

在1.5级涡轮实验台上,针对不同转速和不同封严质量流量,分别采用稳态压力测量、瞬态压力测量和二氧化碳体积分数法对燃气入侵现象进行了实验研究,以确定不同工况下主流的动静叶相互作用对燃气入侵的影响以及入侵到盘腔的燃气在腔内与冷气的掺混过程.结果表明:静叶后的时均压力在周向有明显的周期分布,部分区域封严环外的压力高于腔内压力,且随着封严质量流量增加,这一区域逐渐缩小;动叶扫掠带来同频率的压力波动,对于燃气入侵的发生有着重要的影响;通过二氧化碳体积分数实验获得了最小封严质量流量,并得到在封严质量流量不足情况下燃气沿着静盘侧入侵盘腔的结果.      

涡轮盘轮缘封严结构参数对封严效率影响的实验研究

在航空发动机涡轮部件中,封严环的设计对涡轮盘腔的冷却封严有着至关重要的作用。使用CO_2浓度测量法针对静盘双齿动盘单齿封严环的结构参数(齿高和齿间距)变化对封严效率的影响进行了实验研究,目的在于获得封严结构的封严效率和最小封严流量的变化规律。实验在主流雷诺数Re_w=4.39×10~5,旋转雷诺数7.51×10~5Re_?1.30×10~6的范围内,测量了不同封严流量下的封严效率,以及不同结构参数下各工况的最小封严流量。结果表明:封严效率随封严流量和旋转雷诺数的增加而增加;最小封严流量随着齿间距的增大和齿高的减小而增大,G_c平均每增加7.5×10~(-4),所需的最小封严流量会增加8.0%,G_(ov)平均每增加1.12×10~(-3),可使最小封严流量减少4.7%,同时旋转雷诺数的变化对变齿间距下的最小封严流量有明显效果,而在变齿高情况下则没有影响。     

体积分数法测量几种转静系中的最小封严流量

为防止涡轮盘腔转静系统高温“燃气入侵”现象发生,需要确定最小封严流量.在不同的转速和不同出气间隙下,采用体积分数法分别对6种典型封严结构进行实验研究,以确定它们在不同工况下的最小封严流量并得出其变化规律:在固定的出气间隙值下,最小封严冷气流量随转盘转速的增加而增大,且几乎呈线性变化;对于固定的转速,随着出气间隙的增加,最小封严冷气流量也随之增加.拟合出不同封严结构的级间封严准则函数关系式,并探寻出封严效果最优的封严结构.      

多齿轮缘封严特性的实验

使用气体体积分数法得到了多齿轮缘封严的封严效率分布,获得封严效率随无量纲封严流量变化规律,最终拟合得出实验工况下的最小封严流量计算关联式（实验中主流雷诺数为1.42×105~3.20×105,旋转雷诺数为5.27×105~1.36×106）.通过对二氧化碳体积分数的测量结果表明:在盘腔内部高半径处封严效率较低,而低半径处封严效率一直处于较高的水平;封严效率随封严流量的变化与Owen封严效率方程有较好符合度,说明可以用封严效率方程对多齿轮缘封严进行预测,实验结果进一步扩展了其应用范围.      

凸起迎风面积对不同轮缘封严结构封严效率影响的实验研究

为了获得合适的凸起迎风面积并为减缓燃气入侵提供依据,用CO2浓度测量法研究了凸起迎风面积的变化对涡轮腔内各参数(静压、总压、浓度)的影响,揭示了关于不同封严结构的封严效率和最小封严流量随凸起迎风面积改变的规律。试验在主流雷诺数Rew=4.39×105,旋转雷诺数在7.51×105Re?1.30×106的范围内,测得了不同封严冷气流量下的实验参数。结果表明:试验设计工况范围内,凸起的迎风面积改变对涡轮腔内的静压影响不大,靠近封严环处的静压变化几乎可以忽略不计;而总压和封严效率都和凸起迎风面积成正比关系,但不同封严结构的提升程度存在差别。整体而言,径向封严结构效率的增大最突出,轴向封严和静盘双齿封严改善略小。安装凸起后,平均来看,三种结构所需的最小封严流量分别可以减少11.8%,5.3%,3.4%。此外,旋转雷诺数对封严效率的影响也很明显。     

凸起数对各封严结构封严效率影响的实验

实验用二氧化碳体积分数测量法研究了凸起数目的变化对盘腔内各参数（静压、总压、封严效率）的影响,目的是获得不同封严结构的封严效率和最小封严流量随凸起数目的变化规律。实验在主流雷诺数和旋转雷诺数为一定范围内,测量了不同封严流量下的参数。结果表明:在实验工况范围内,凸起的数目变化对腔内的静压影响较小,靠近封严环的静压变化几乎可以忽略;而总压和封严效率都和凸起数目成正比,但不同封严结构的变化程度有所不同。从整体上看,径向封严结构效率的提升最明显,轴向封严和静盘双齿封严改善较小。平均每增加一个凸起,三种结构所需的最小封严流量分别可以减少0.96%、0.30%、0.28%。此外,安装了凸起后,旋转雷诺数对封严效率的影响也会更加明显。      

凸起形状对轮缘封严结构燃气入侵的影响

为了研究轮缘封严附近凸起的形状对封严效率的影响，采用测量二氧化碳体积分数、腔内压力的实验方法，研究了几种典型的凸起形状对封严效率、腔内压力、腔内流场和无量纲最小封严流量的影响，目的是获得最佳的凸起形状。结果表明，凸起形状的变化对腔内的静压影响不大，封严环附近的静压变化几乎可以忽略不计。而总压和封严效率将随着凸起形状的变化而不同。安装凸起会整体提升腔内的旋流比。当凸起形状为六面体时，腔内的总压和封严效率最大，其无量纲最小封严流量相比于光滑盘平均减少了32%。     

1.5级涡轮前后轮缘密封封严流动特性研究

为了研究前后腔轮缘密封封严特性和封严出流与主流的交互作用,对转静叶片之间带有前后封严腔的1.5级涡轮进行了三维定常数值模拟,研究了不同封严流量下前后封严腔出口处流场分布并采用附加变量法对比分析了前后腔轮缘密封效率。结果表明：前封严腔主流燃气入侵位置主要受到来自上游导叶尾迹的影响,后封严腔主流燃气入侵位置主要受到下游导叶前缘位势场影响;封严出流影响了20%叶高以下的主流区域,增大了轮毂二次流强度;采用相同封严流量下时前封严腔的封严效率较后腔更低且有着更大的封严效率波动。     

涡轮盘腔轴向封严流动的数值研究

利用数值方法研究了轴向封严结构内的燃气入侵与封严流动.研究表明:由于封严间隙处流场参数梯度较大,封严面非匹配网格影响了数值传递从而造成封严效率数值结果偏高.定常数值模拟结果低估了导叶下游静压的周向不均匀性,同时没有考虑转静干涉,所得到的封严效率较非定常结果要高.非定常计算得到的导叶下游静压周向分布与试验结果符合较好,在盘腔子午面内形成3个涡核结构,引导静盘壁面流体流向动盘以补充动盘泵效应所需流量.封严间隙内存在旋转的燃气入侵与出流结构,燃气入侵伴随较大的切向速度,封严间隙内的封严间隙涡对封严效率有积极影响,封严面上径向速度的瞬时值为时均值的3倍以上.燃气入侵受到导叶尾缘周向静压分布和转子旋转的共同影响.      

跨声速涡轮轮缘复合封严结构的数值研究

为了保护航空发动机涡轮盘,阻止高温燃气向盘腔内部深入,破坏核心部件,通常将压气机冷气引入转静盘腔,以抵抗高温燃气入侵,并对涡轮部件进行冷却。本文利用非稳态与稳态数值计算方法,研究了跨声速涡轮设计工况(Reφ＞107)下的两种复合封严结构：静盘存在封严环的覆叠封严和动盘带封严齿的咬合封严结构,并与轴向封严结构进行对比。在本文所研究的范围内,对非稳态计算进行快速傅里叶变换(FFT)的结果表明：跨声速涡轮流动中,叶栅通道存在由激波引起的高压区,导致了燃气的剧烈入侵,因此在特征信号频谱中f/fblade=2处存在峰值,这是跨声速涡轮燃气入侵最显著的特点。稳态计算证明复合封严结构封严性能良好。静盘封严环将盘腔分割为上下两个容腔,入侵容腔滞留了绝大部高温燃气,因此高半径处封严效率较低,但盘腔低半径处封严效率明显提高,在Cw≈996时,两种复合封严结构在r/b=0.96以下都能达到很高的封严效率。咬合封严能够增加燃气流动阻力,有效减小封严冷气使用量。但是两种封严结构在当冷气流量系数从Cw=199逐渐增大到2000时,高半径处封严效率并没有明显的提高,封严效率仅提高了20%~30%。     

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。     

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.      

高压涡轮圆柱孔状径向轮缘密封封严特性的数值研究

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路.针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理....     

齿形几何参数对直通篦齿封严泄漏特性影响的正交实验

针对影响直通篦齿泄漏特性的6个主要几何参数(齿宽、封严间隙、齿高、齿距、前倾角和后倾角)及其常用的取值范围,依据正交原理设计了25个篦齿实验件,实验研究了其对泄漏特性的影响.结果表明:上述参数对流量系数的影响趋势有明显的区别;根据实验结果推断:封严效果最好的齿形结构为齿宽取0.1mm、封严间隙取0.3mm、齿高取3mm、齿距取9mm、前倾角取0°、后倾角取15°;上述参数在实验范围内的变化对流量系数影响程度的主次排序为:齿距→封严间隙→后倾角→齿宽→齿高→前倾角,齿距影响非常显著,封严间隙影响显著,后倾角和齿宽有一般影响,齿高和前倾角影响不显著.      

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。      

Analyses toward factors influencing sealing clearance of a metal rubber seal and derivation of a calculation formula

Sealing clearance is a key factor for a metal rubber seal’s sealability. The expansion coef-ficient and expansion deformation in the radial direction of metal rubber have been obtained through a thermal expansion experiment of metal rubber. The influence of the elastic modulus to the sealing clearance has been analyzed theoretically. By combining the temperature and elasticity factors of metal rubber with the elastic mechanics theory, the calculation formula of the sealing clearance has been derived, and the values of the sealing clearance and the leakage rate in certain working conditions have been calculated. Experimental results are consistent with calculation results in a high degree. The calculation formula of the sealing clearance can explain the influences of the temperature and elastic modulus factors of metal rubber on the sealing clearance. It can pro-vide guidance for the study of sealing mechanism of metal rubber seals.