高空模擬試車臺動靜架新型篦齒密封結(jié)構(gòu)研究

鄒宜霖，艾延廷，蘇金友

(1.沈陽航空航天大學(xué)遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136；2.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院航空發(fā)動機高空模擬技術(shù)重點實驗室，四川綿陽 621000)

1 引言

篦齒密封作為工業(yè)上常見的非接觸密封，因結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、燃氣輪機及壓縮機等的軸端和級間密封，在防止工作介質(zhì)泄漏和節(jié)能降耗中起著關(guān)鍵作用[1-3]。在航空發(fā)動機高空模擬試車中，發(fā)動機固定在測力臺架上，為適應(yīng)進氣溫度大幅變化的熱脹冷縮及推力測量需要的動架軸向活動量，在空氣流量管與發(fā)動機之間有一個滑動密封裝置，亦稱進氣轉(zhuǎn)接段[4]。目前，國內(nèi)高空臺動靜架均采用傳統(tǒng)的篦齒密封結(jié)構(gòu)連接，即空氣流量管與發(fā)動機前的轉(zhuǎn)接段為篦齒滑動連接，沒有直接的力傳遞，封嚴結(jié)構(gòu)環(huán)繞著轉(zhuǎn)接段。為避免熱脹冷縮變形導(dǎo)致動靜架之間碰摩，篦齒頂部與轉(zhuǎn)接段外壁面一般存在2 mm左右的間隙，導(dǎo)致低溫試驗時濕空氣進入發(fā)動機，影響試驗安全。

本文針對某型高空臺動靜架連接處密封問題，基于理論分析和數(shù)值仿真，提出一種從中段進氣的新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)。通過建立的高空臺動靜架新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析了密封中段控制口進氣壓力對篦齒密封泄漏特性的影響，揭示了高空臺動靜架新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)的封嚴機理，為高空臺動靜架滑動密封裝置設(shè)計提供了理論依據(jù)。

2 動靜架新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)

圖1 示出了新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)。圖中，空氣流量管的后端即為滑動連接結(jié)構(gòu)，固定于靜架上的空氣流量管與安裝于發(fā)動機前端的轉(zhuǎn)接段之間通過該連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非接觸連接。與傳統(tǒng)的滑動密封連接結(jié)構(gòu)相比，新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)中增加了兩周氣孔。以空氣流量管主流進氣方向為正方向，第一周氣孔周向均勻分布48個，可通過外接氣源向連接結(jié)構(gòu)內(nèi)抽氣或充氣，命名為控制口；第二周氣孔周向均勻分布40 個，與高空艙后艙連通，為氣體的孔型出口。為了便于發(fā)動機的安裝拆卸及試驗測試，空氣流量管與轉(zhuǎn)接段間始終保持縫隙，在切向存在兩個非接觸面，分別位于篦齒密封連接結(jié)構(gòu)的前后，前端的環(huán)形縫隙為整個結(jié)構(gòu)的進氣口，后端的環(huán)形縫隙為出氣口(環(huán)形出口)，也與高空艙后艙連通。

圖1 新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of a new labyrinth seal joint structure

3 篦齒密封數(shù)值模型

新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。密封長度L=142 mm，齒間距B=7 mm，齒頂厚t=1 mm，前傾角α=90°、后傾角β=120°，共11個篦齒。考慮到高空模擬試驗中存在的小幅度振動和熱脹冷縮效應(yīng)，以及發(fā)動機動架試驗過程中的軸向移動，給定密封間隙s=2 mm?？諝饬髁抗芘c轉(zhuǎn)接段間隙在密封前后都保持d=2 mm，以此避免直接剛性接觸導(dǎo)致的發(fā)動機推力測量誤差。密封中段控制口直徑D1=14 mm；出口包括孔型出口和環(huán)形出品兩部分，其中孔型出口直徑D2=10 mm。

圖2 新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.2 Dimension diagram of a new type of labyrinth seal joint structure

驗證連接結(jié)構(gòu)泄漏特性規(guī)律時，控制口設(shè)置為絕熱、光滑無滑移壁面邊界。研究控制口對連接結(jié)構(gòu)泄漏影響時，控制口設(shè)置為總壓、總溫進口。出口給定為壓力出口，壓力為標準大氣壓；進氣口給定為總壓、總溫進口。出口包括孔型出口和環(huán)形出口兩部分，邊界條件一致，后文中出口指這兩部分出口的總和。篦齒密封模型邊界條件的具體數(shù)值見表1，其中壓比為進氣口與出口壓力之比。計算工質(zhì)為理想氣體，黏性系數(shù)滿足Sutherland 假設(shè)；數(shù)值計算采用時間追趕的有限體積法，求解三維穩(wěn)態(tài)Realizablek-ε方程，空間離散采用二階迎風(fēng)格式。收斂判斷標準為：連續(xù)方程、動量方程和湍流方程的均方根殘差下降到10-6，進出口質(zhì)量流量差值小于0.1%[7-8]。

文獻[1，12-13]研究表明，基于以上模擬條件設(shè)置得到的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果間的誤差基本在可接受范圍內(nèi)。由于此篦齒密封模型流場復(fù)雜，因此需考慮網(wǎng)格質(zhì)量對數(shù)值計算精度的影響。采用ICEM軟件劃分高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格(圖3)，對齒尖、密封間隙及邊界層進行加密處理，同時對網(wǎng)格數(shù)不同的密封模型進行計算。由圖4可知，當網(wǎng)格數(shù)超過760萬時，泄漏量的偏差小于0.1%，數(shù)值計算結(jié)果已基本穩(wěn)定。

表1 篦齒密封邊界條件Table 1 Seal boundary conditions of the labyrinth seal

圖4 網(wǎng)格數(shù)對泄漏量的影響Fig.4 Influence of mesh node numbers on leakage amount

4 篦齒密封流場特性及泄漏特性分析

4.1 流場特性

圖5 壓比為2.0時密封內(nèi)部流場分布Fig.5 Internal flow field distribution when pressure ratio=2.0

模型中控制口與孔型出口周向為錯位分布，周向壓力分布基本呈周期性變化，且周期性位置壓差不超過3 kPa。選取流動相對復(fù)雜且同時具有兩個氣孔的截面進行密封軸向分析。進氣口與出口壓力之比為2.0時，篦齒密封軸向內(nèi)部流場分布如圖5所示。由圖可知，篦齒密封內(nèi)部氣流從高壓側(cè)流向低壓側(cè)的過程中，首先經(jīng)由進氣口進入篦齒前的腔室，在腔室中氣流發(fā)生分離形成速度相差加大的兩部分旋渦。大部分速度較高的氣流由于壓差流向下一個篦齒密封，同時因壁面作用在篦齒前腔室下部形成順時針旋渦；小部分分離出的氣流速度較低，在慣性作用下在腔室上部形成逆時針旋渦。當氣流經(jīng)過齒尖間隙時流道變窄，由于壓差和慣性作用而產(chǎn)生收縮，流速增加，壓力降低，氣流的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽鸬浇祲涸鏊俚淖饔?，體現(xiàn)了密封的流束收縮效應(yīng)；當速度較高的氣流進入齒腔后，流通面積擴張，氣流在齒腔內(nèi)形成旋渦，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，參與質(zhì)量和能量的交換，體現(xiàn)了齒腔的熱力學(xué)效應(yīng)。部分氣流因透氣效應(yīng)并未進入齒腔進行耗散，速度不減或略微減小直接流入下一個密封，這是影響密封性能的主要原因。在齒腔的中心位置流速最小，產(chǎn)生了大的旋渦，是動能耗散的主要區(qū)域，齒尖氣流由于流束收縮效應(yīng)及透氣效應(yīng)流速很高，出現(xiàn)射流區(qū)域。由于壁面阻礙作用，在齒腔的四角出現(xiàn)壓力回升現(xiàn)象。從整體過程看，相比第一個齒腔，第二個齒腔出現(xiàn)了壓力回升現(xiàn)象。這是因為第一個齒的流束收縮效應(yīng)使得速度增加過大，大部分高速氣流并未參與到第一個齒腔的耗散而直接向后流動。出口通道腔室后部出現(xiàn)壓力回升，是由于壓差速度方向發(fā)生改變，在腔室后壁面的發(fā)射作用下使得壓力回升。此外，圖中低壓區(qū)是因流通面積突然縮小或流通方向突然大幅改變所致。綜上分析可得出，研究模型的壓力下降主要是因為齒尖間隙處的流速收縮效應(yīng)和齒腔中的熱力學(xué)效應(yīng)。由于實際裝配需要密封間隙為2 mm，因此透氣效應(yīng)相對明顯，使得部分氣流不能在齒腔中進行動能到熱能再耗散的轉(zhuǎn)化。

4.2 泄漏特性

圖6給出了進氣口與出口壓比由1.5增大到4.0且其他條件保持不變時，壓比對篦齒密封泄漏量的影響。由圖可知，隨著壓比增大，泄漏量逐漸增大，兩者近似呈線性關(guān)系。壓比從1.5升高到4.0時，密封泄漏量由0.116 9 kg/s增加到0.384 6 kg/s，增幅為229%。由此可證明，壓比的增大會導(dǎo)致此篦齒密封模型封嚴效果降低。主要是因為壓比增大導(dǎo)致內(nèi)部氣流流速增大，以及齒腔的熱力學(xué)效應(yīng)未得到完全實現(xiàn)，透氣效應(yīng)因流速增大而更加明顯。

圖6 泄漏量隨壓比的變化Fig.6 Curve of leakage amount with pressure ratio

5 密封中段進氣對篦齒密封泄漏的影響

控制口進氣的主要作用是通過引入外來氣流與進氣口氣流產(chǎn)生對沖，從而抑制進氣口氣流向密封結(jié)構(gòu)內(nèi)流動，最終使主流氣流在空氣流量管與轉(zhuǎn)接段連接的間隙處達到動平衡，不產(chǎn)生氣體泄漏。

5.1 控制口進氣密封模型流場特性

圖7 不同控制口壓力下的流場壓力和速度Fig.7 Diagram of pressure and velocity changes in the flow field under different control pressures

圖7為進氣口與出口壓比為1.5時，不同控制口壓力下的流場壓力和速度云圖?？傮w看，密封內(nèi)部流場以控制口為界限，出口一側(cè)流動狀態(tài)與控制口不通氣時無區(qū)別，進氣口一側(cè)的流場狀態(tài)則發(fā)生了改變。主要體現(xiàn)在進氣口及控制口進入的兩股氣流在這兩個進口之間的篦齒處相遇，兩股氣流分別經(jīng)歷篦齒的流束收縮效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)，壓力降低，速度增大。當二者速度大小相等、方向相反時，流場內(nèi)產(chǎn)生動平衡。動平衡的位置在密封間隙處，大部分氣流在此處對沖，少量低速氣流分離進入齒腔內(nèi)。隨著控制口壓力增大，動平衡的位置不斷向進氣口方向軸向移動，主流氣流泄漏逐漸被抑制。當控制口壓力較小時，通入的流量較小，整個密封內(nèi)部流場與控制口不通氣時的狀態(tài)基本一致，此時控制口進入的氣體對整個密封結(jié)構(gòu)封嚴狀態(tài)的影響很小。隨著控制口壓力增大，進入的氣流直接沖擊到進氣口正下方，形成壓力增大的集中區(qū)域，之后因壁面阻礙作用速度方向改變，角度較大的氣流在腔室內(nèi)左右兩端形成旋渦參與動能到熱能的耗散，角度較小的氣流沿密封間隙同時向兩側(cè)流動。流向主流間隙方向的氣流一部分進入相鄰的齒腔發(fā)生熱力學(xué)效應(yīng)，另一部分由于透氣效應(yīng)沿壁面繼續(xù)向主流間隙方向流動。隨著密封中段進氣的增加，從主流間隙泄漏進入密封流場內(nèi)部的氣體的流動性能降低，逐漸不再進入密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部。隨著密封中段進氣的進一步增加，進氣口氣體已經(jīng)因為控制口進氣氣流的抑制作用不再進入密封流場內(nèi)，控制口進氣流速增大，向密封流場外泄漏增多。

5.2 密封進氣對主流泄漏的控制

當進氣口與出口壓力之比為1.5～4.0時，分別進行多組不同控制口進氣的仿真計算。調(diào)整控制口壓力，當控制口壓力逐漸增大時，進氣口泄漏量逐漸減小并趨近于0；再繼續(xù)增加壓力，會導(dǎo)致密封內(nèi)部氣流從進氣口向主流道泄漏。當進氣口壓力一定時，存在唯一的控制口壓力使其處于理想的零泄漏狀態(tài)。圖8為拾取到的不同壓比下線性擬合的理想零泄漏狀態(tài)時，控制口壓力與進氣口壓力之間的關(guān)系，二者基本呈線性相關(guān)。

圖8 零泄漏時主流壓力與密封中段壓力的關(guān)系Fig.8 Diagram of the relationship between the main channel pressure and the pressure in the middle section of the seal in zero leakage state

6 溫度對新型篦齒密封泄漏特性的影響

由于篦齒密封模型進出口存在壓差，被阻塞的氣流從空氣流量管與轉(zhuǎn)接段間隙流入密封模型，然后經(jīng)出口流出，而高空艙后艙內(nèi)壓力低于進氣口壓力，后艙內(nèi)氣體幾乎不進入篦齒密封的內(nèi)部流場，不存在氣體倒流現(xiàn)象。因此，出口溫度的改變對篦齒封嚴的性能基本沒影響。圖9給出了篦齒密封模型泄漏量隨主流進氣口溫度的變化?？煽闯?，當控制口不通入氣體時，泄漏量隨進氣口溫度的升高呈減小的趨勢。溫度由330 K升高到440 K，泄漏量下降了13.5%。當控制口通入氣體時，泄漏氣體流量已接近0，可近似認為沒有氣體進入密封流場內(nèi)部，此時主流進氣口溫度不影響此結(jié)構(gòu)的封嚴效果。

7 結(jié)論

建立了高空臺動靜架連接結(jié)構(gòu)中段存在控制口進氣的新型篦齒密封數(shù)值模型，分析了控制口進氣對新型篦齒密封連接結(jié)構(gòu)密封效果的影響。通過對其不同使用狀態(tài)的流場特性及泄漏特性的研究，得出以下結(jié)論：

(1)控制口不進氣情況下，主流進氣口壓力與出口壓力之間壓比的增大將導(dǎo)致密封泄漏量增加，密封效果變差。

(2)控制口進氣能有效抑制主流在空氣流量管與轉(zhuǎn)接段間隙處的泄漏，控制口壓力與主流進氣口壓力呈線性關(guān)系時可實現(xiàn)零泄漏。

(3)控制口不進氣時，進氣口溫度越高，動靜架篦齒密封連接結(jié)構(gòu)的封嚴效果越好；控制口進氣時，進氣口溫度對封嚴效果基本無影響。