指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中氣流流動(dòng)與傳熱特性分析

曹 靜 ，吉洪湖，金 峰 ，曹廣州

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中氣流流動(dòng)與傳熱特性分析

曹 靜 ，吉洪湖，金 峰 ，曹廣州

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

研究了指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中氣流流動(dòng)與傳熱特性。將封嚴(yán)組片區(qū)域視為多孔介質(zhì)，以摩擦熱為熱源，建立計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明：封嚴(yán)區(qū)域最高溫度出現(xiàn)在指尖靴后部與轉(zhuǎn)子摩擦接觸面；在壓差和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，封嚴(yán)區(qū)域最高溫度隨安裝過(guò)盈量的增大而升高；在過(guò)盈量和壓差一定時(shí)，最高溫度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而升高；但隨著壓差的增大，結(jié)果與之相反。研究結(jié)果可為指式封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接觸副材料選擇和安裝方式提供參考。

指式封嚴(yán)；多孔介質(zhì)；溫度場(chǎng)；傳熱；氣流流動(dòng)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

指式封嚴(yán)是繼篦齒封嚴(yán)和刷式封嚴(yán)之后發(fā)展起來(lái)的1種新型封嚴(yán)技術(shù)[1-4]，可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)與渦輪級(jí)間的氣路封嚴(yán)。國(guó)外試驗(yàn)結(jié)果表明，與篦齒封嚴(yán)相比，指式封嚴(yán)能顯著降低泄漏量，氣流損失可減少1%～2%，燃油損耗可減少0.7%～1.4%，運(yùn)行費(fèi)用可減少0.35%～0.70%；與刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)相比，指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的制造成本可降低50%。但是指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子一般是過(guò)盈配合，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，指尖靴與轉(zhuǎn)子表面相接觸會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，引起指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)局部溫度升高，從而影響部件壽命。目前，關(guān)于指式封嚴(yán)的傳熱特性研究已引起重視，如王峰、蘇華等人從固體導(dǎo)熱出發(fā)，對(duì)摩擦熱在指式封嚴(yán)片中的傳導(dǎo)所產(chǎn)生的溫度分布進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6]。但是，目前對(duì)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中氣流流動(dòng)與傳熱特性的研究的文獻(xiàn)卻相對(duì)較少。因此，采用多孔介質(zhì)模型，研究指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中氣流流動(dòng)和傳熱特性非常必要。

1 指式封嚴(yán)物理模型

指式封嚴(yán)根據(jù)刷式封嚴(yán)的思想提出，結(jié)構(gòu)與刷式封嚴(yán)相似，如圖1所示。該封嚴(yán)采用刷片取代刷式結(jié)構(gòu)的刷絲，刷片和刷絲都是由若干一端固定、另一端與旋轉(zhuǎn)表面相接觸的柔性金屬組件構(gòu)成。從圖1（a）中可見(jiàn)，指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)由指式封嚴(yán)片、隔片和前后擋板通過(guò)周向均布的鉚釘鉚接起來(lái)。指式封嚴(yán)片作成具有一定曲線(xiàn)形狀和一定數(shù)目的指梁，指梁一端作成具有一定形狀的指尖靴，另一端在根部連在一起。指尖靴與轉(zhuǎn)子可根據(jù)需要形成過(guò)盈或間隙配合，對(duì)氣流起到封嚴(yán)作用，如圖 1（b）所示。實(shí)際的指式封嚴(yán)組件是由多個(gè)封嚴(yán)片交錯(cuò)疊合鉚接而成的，同1層指梁之間的間隙被相鄰層的指梁交錯(cuò)遮擋，如圖 1（c）所示。

2 指式封嚴(yán)流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)模型

本文借鑒了刷式封嚴(yán)數(shù)值模擬中所采用的多孔介質(zhì)氣流流動(dòng)與傳熱模型，對(duì)指式封嚴(yán)區(qū)域中的氣流流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先，建立指式封嚴(yán)的幾何模型，將各層封嚴(yán)組片視為多孔介質(zhì)；然后，確定模型常數(shù)m和n；最后，通過(guò)數(shù)值模擬分析主要參數(shù)對(duì)流動(dòng)與傳熱特性的影響。

2.1 幾何模型

根據(jù)指式封嚴(yán)的真實(shí)結(jié)構(gòu)建立簡(jiǎn)化的幾何模型，如圖2所示。為減小出口氣流的回流對(duì)指式封嚴(yán)傳熱特性模擬造成的不利影響，計(jì)算域由進(jìn)口流體通道、前擋板、隔片、指式封嚴(yán)區(qū)域（4層封嚴(yán)片）和后擋板組成，將指式封嚴(yán)區(qū)域視為多孔介質(zhì)。指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)為周向循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，假設(shè)多孔介質(zhì)模型中在各方向上的氣體流動(dòng)阻力是均勻的，可用軸對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2 封嚴(yán)片組中氣流的流動(dòng)與傳熱控制方程

指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的幾何模型可分為封嚴(yán)區(qū)域和封嚴(yán)外區(qū)域（圖2）。在封嚴(yán)區(qū)域內(nèi)，流體的穩(wěn)態(tài)控制方程組為

質(zhì)量守恒方程

式中：εS為多孔介質(zhì)的面孔隙率；Sux、Suy、Suz為沒(méi)有包括的其他黏性項(xiàng)之和；Six、Siy、Siz為多孔介質(zhì)所附加的動(dòng)量源項(xiàng)，ST為熱源項(xiàng)。

動(dòng)量源項(xiàng)中包括了黏性損失項(xiàng)和內(nèi)部損失項(xiàng)，即

式中：等號(hào)右邊第1項(xiàng)為黏性損失項(xiàng)，第2項(xiàng)為內(nèi)部損失項(xiàng)；α為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)；C2為多孔介質(zhì)的內(nèi)部損失系數(shù)

根據(jù)適用于刷式封嚴(yán)的源項(xiàng)公式[7]

對(duì)比式（5）、（6），可得

式中：S為單位體積的潤(rùn)濕面積；ε為多孔介質(zhì)的體孔隙率；m和n為常數(shù)。

作為1級(jí)近似，可認(rèn)為ε=εs，用理想孔隙率代替實(shí)際孔隙率，誤差可由m和n 2個(gè)常數(shù)來(lái)修正。由于指梁和指尖靴的設(shè)計(jì)方法不同，所以在計(jì)算S和ε時(shí)，應(yīng)把指梁和指尖靴分開(kāi)計(jì)算[8]

在式（7）中，常數(shù)m和n取值見(jiàn)表1。

表1 常數(shù)m和n的值

2.3 邊界條件確定

在計(jì)算時(shí)采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，獨(dú)立性驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量約為4.5萬(wàn)；設(shè)置如下邊界條件。

（1）壓力邊界：下游出口壓力（HI邊），右側(cè)出口跟外界大氣相連，因此，出口壓力邊界即為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；上游進(jìn)口壓力（AL邊），根據(jù)壓差確定進(jìn)口壓力。

（2）速度邊界：固壁邊界包括進(jìn)口流道上壁面、前后擋板下壁面、指式封嚴(yán)區(qū)域上壁面，在壁面邊界上流體速度為零；轉(zhuǎn)子表面取旋轉(zhuǎn)無(wú)滑移壁面，并給定工作轉(zhuǎn)速。

（3）溫度邊界：第1類(lèi)邊界條件，上游進(jìn)口溫度；下游出口溫度設(shè)為大氣溫度，即300K；第2類(lèi)邊界條件，設(shè)指尖靴與轉(zhuǎn)子接觸面（KJ）的熱流密度為q。

2.3.1 摩擦熱的確定

通常，指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子之間是過(guò)盈配合，同時(shí)，指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)還受到上下游壓差作用而發(fā)生變形，這些都會(huì)使指尖靴與轉(zhuǎn)子表面間存在一定的接觸壓力，并因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而在接觸面上產(chǎn)生熱量。

指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)為周向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，而且各指梁結(jié)構(gòu)相同，則指尖靴與轉(zhuǎn)子間總的摩擦熱量為

式中：f為指尖靴與轉(zhuǎn)子間的摩擦系數(shù)；V為轉(zhuǎn)子表面線(xiàn)速度；M為封嚴(yán)片層數(shù)；N為每個(gè)封嚴(yán)片上的指梁個(gè)數(shù)；ki為單個(gè)指梁的徑向剛度；s為指尖靴與轉(zhuǎn)子的配合過(guò)盈量；sΔp為上下游壓差引起的單個(gè)指梁靴部的徑向變形。

（1）單個(gè)指梁徑向剛度計(jì)算

剛度即單位位移所需的沿該位移方向力的增量（N/m）。本文選取指尖靴幾何中心處的徑向變形作為指梁在集中載荷下的變形量，單個(gè)指梁的徑向剛度可通過(guò)ANSYS計(jì)算軟件的有限元法求出，在指梁靴部幾何中心處施加一集中載荷F，如圖3所示。通過(guò)有限元法，求出指尖靴幾何中心處的徑向變形量x；由集中載荷F與變形量x之比，即可得指梁的等效剛度ki=取一系列力，分別算出對(duì)應(yīng)的變形量，即可得到指梁的力-變形曲線(xiàn)，如圖4所示。

（2）上下游壓差引起的單個(gè)指梁靴部的徑向變形

上下游壓差所引起的單個(gè)指梁靴部的徑向位移也可通過(guò)有限元分析得到。在壓差分別為0.007、0.050、0.133、0.216 MPa時(shí)，圓弧線(xiàn)型指式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)單個(gè)指梁靴部的徑向位移結(jié)果如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，由上下游壓差引起的指尖梁靴部徑向位移很小，可忽略不計(jì)。

（3）熱流密度計(jì)算公式

設(shè)指尖靴與轉(zhuǎn)子表面因接觸而產(chǎn)生的摩擦熱傳入接觸面以上封嚴(yán)區(qū)域和傳入接觸面以下轉(zhuǎn)子區(qū)域相等，則傳入封嚴(yán)區(qū)域流體的熱流密度為

式中：Ai為單個(gè)指尖靴與轉(zhuǎn)子表面的接觸面積。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)分布

取 f=0.2、V=75.36 m/s、M=4、N=72、ki=489.57N/m、Ai=1.965mm2、s=0.1mm。

將以上數(shù)據(jù)代入式（9），計(jì)算出熱流密度，并將其作為邊界條件輸入Fluent，進(jìn)口溫度取573K，出口溫度取300K，得到泄漏流動(dòng)溫度場(chǎng)，如圖6所示。

從圖6中可見(jiàn)，由于在指尖靴與轉(zhuǎn)子接觸面施加了均勻熱流，所以，最高溫度出現(xiàn)在指尖靴后部與轉(zhuǎn)子摩擦接觸面；溫度衰減主要發(fā)生在指尖靴和后擋板保護(hù)高度區(qū)域內(nèi)，在進(jìn)口、前擋板保護(hù)高度和指式封嚴(yán)上部區(qū)域，溫度幾乎不變；溫度在徑向和軸向均呈階梯狀分布，沿徑向衰減，這是因?yàn)榭拷髶醢迩肮战翘帍较蚝洼S向速度最大，對(duì)流換熱劇烈，沿軸向也發(fā)生衰減，而且越靠近轉(zhuǎn)子衰減越大，這是因?yàn)榱黧w流動(dòng)和轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)使流體的換熱得到加強(qiáng)，從而帶走了一部分熱量。

3.2 最高溫度隨過(guò)盈量、壓差和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化

最高溫度隨安裝過(guò)盈量的變化如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，最高溫度隨過(guò)盈量的增大而升高，但隨著壓差的增大，加強(qiáng)的氣體對(duì)流使最高溫度受過(guò)盈量的影響減弱；當(dāng)過(guò)盈量一定時(shí)，最高溫度隨壓差的增大而降低，這是因?yàn)閴翰畹脑龃笤斐尚孤┝吭龃螅覛饬鲗?duì)流增強(qiáng)，從而使熱量傳遞散失加快而造成的。

最高溫度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，最高溫度隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，且壓差越小，最高溫度的溫升隨轉(zhuǎn)速的變化越大。當(dāng)壓差為0.007MPa時(shí)，最高溫度隨轉(zhuǎn)速的變化很明顯，溫升接近42℃；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，最高溫度隨壓差增大有所降低，這是因?yàn)樾孤┝吭龃?，而且氣流?duì)流增強(qiáng)，從而使熱量傳遞散失加快而造成的。

4 結(jié)論

（1）溫度分布在指式封嚴(yán)與轉(zhuǎn)子摩擦接觸面上出現(xiàn)最大值，在徑向和軸向都有衰減，而且越靠近轉(zhuǎn)子軸向衰減越明顯。

（2）在壓差和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，封嚴(yán)區(qū)域最高溫度隨安裝過(guò)盈量的增大而升高；但隨著壓差的增大，加強(qiáng)的氣體對(duì)流使得最高溫度受過(guò)盈量的影響減弱。

（3）在過(guò)盈量和壓差一定時(shí)，最高溫度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而升高；但隨著壓差的增大，增強(qiáng)的氣體對(duì)流使得最高溫度受轉(zhuǎn)速的影響減弱。

（4）在過(guò)盈量和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，壓差越大，最高溫升降低。這是因?yàn)閴翰钤龃?，泄漏量增大而且氣流?duì)流越強(qiáng)烈，從而使熱量傳遞散失加快而造成的。

數(shù)值模擬研究表明，指式封嚴(yán)片靴部的氣流處于高溫環(huán)境中，會(huì)造成封嚴(yán)片變形和磨損，因此，在指式封嚴(yán)設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇合適的摩擦副材料，添加表面保護(hù)涂層，以控制安裝過(guò)盈量。

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Analysis of Air Flow and Heat Transfer Characteristics in Finger Seal Structure

CAO Jing,JI Hong-hu,JIN Feng,CAO Guang-zhou
（College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016,China）

The characteristics of air flow and heat transfer in finger seal structure was studied.The calculation model was built by the seal group area as porous media and heat source as frictional heat.The calculation results show that the maximum temperature of the seal area occurs in the contacting surface between finger-boots and rotor.The maximum temperature increases with the increased interference while differential pressure and speed;the maximum temperature decreased，while differ pressure increase in the interference and pressure.The results can be used to guide finger seal geometry design,contact-pair material selection and interference fit.

finger seal;porous media;temperature field;heat transfer;air flow；aeroengine

曹靜（1986），女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)。