斜向角度對渦輪輪緣密封性能的影響

白 濤,張晶輝,吝 琳,王淼兒,李 怡

(1.西安航空學院飛行器學院， 西安 710077；2.航空工業(yè)第一飛機設計研究院， 西安 710089)

1 引言

提高渦輪前燃氣溫度是提高渦輪輸出功率，減輕渦輪部件重量的重要手段。然而高溫燃氣將帶來渦輪更為惡劣的工作環(huán)境，尤其是高速旋轉的渦輪輪盤。通過從壓氣機引出冷卻氣進入渦輪盤腔間可以起到冷卻盤腔，同時防止主流高溫燃氣入侵盤腔的作用。封嚴冷氣出流和燃氣入侵對渦輪氣動性能的復雜作用機制使得其成為近年來的研究熱點。目前針對輪緣密封的研究主要集中在建立最小封嚴流量模型；輪緣非定常效應；燃氣入侵機理；封嚴氣流對主流干涉；封嚴結構設計等方面[1-3]。

研究表明封嚴結構的改變或者優(yōu)化主要通過改變封嚴間隙渦的發(fā)展以及其和主流的相互作用來影響盤腔封嚴效率和渦輪效率[4-7]。軸向密封和徑向密封為簡單的封嚴結構，針對軸向和徑向密封，在輪緣非定常流動、對主流干涉等方面國內外做了很多研究。Pogorelov等通過對帶有軸向密封渦輪裝置的精細化流場進行分析，得出靜子尾跡和轉子前緣勢作用不光會造成盤腔內旋轉的燃氣入侵和出流流動，同時會加強主流燃氣入侵盤腔[8-9]。國內張晶輝等的研究表明了，除了封嚴結構(軸向或者徑向)會影響盤腔燃氣入侵，諸如輪緣間隙參數(shù)、間隙形狀，間隙位置等也會對封嚴效率造成不可忽略的影響[10-11]。斜向封嚴結構是實際工程中最常用的結構之一，近些年來國外針對斜向封嚴結構的不穩(wěn)定流動特征和封嚴特性做了相關的研究，Bunker等詳細分析了斜向結構輪緣間隙內的非定常特征及其作用機理,其研究結果表明相比于動靜干涉，間隙內不穩(wěn)定的旋渦結構會加深燃氣入侵的深度[12-14]。國內高杰等的研究結果表明，斜向封嚴結構的封嚴效率要高于徑向和軸向[15]。而關于不同角度對盤腔流場結構造成影響的研究內容鮮有發(fā)表。因此設計帶有不同角度的斜向封嚴結構，并對其進行細致的流動分析，對于工程上斜向封嚴結構的設計和進一步細致的流動機理研究具有重要意義。

2 計算模型與計算方法

2.1 計算模型

本文研究對象選自瑞士聯(lián)邦理工學院1.5級渦輪。渦輪幾何主要參數(shù)如表1所示，封嚴腔體位于導向器和轉子交界面上游，本文傾斜角度α分別設置為30°，45°，60°，不同角度下，保證封嚴間隙的出口位置不變。封嚴結構如圖1所示。

表1 LISA葉型主要幾何參數(shù)

2.2 數(shù)值計算方法

計算域包括2個靜子通道和3個轉子通道，保證了周向1∶1。盤腔和第一級靜子域整體在ICEM繪制結構化六面體網(wǎng)格，保證靜子通道和盤腔在間隙處的網(wǎng)格在軸向和周向完全匹配，避免數(shù)值傳遞造成的誤差；轉子和第二級靜子域采用turbogrid劃分結構化網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)為800萬，靜子、轉子、靜子域分別為：318萬、325萬、157萬。所有壁面處網(wǎng)格都進行了加密處理，壁面附近Y+小于1，滿足所選湍流模型的計算要求。

圖1 封嚴結構橫截面示意圖

數(shù)值模擬采用商用CFX軟件，選用SST湍流模型,γ-θ轉捩模型；進口給定總溫(328 K)、總壓(140 kPa)邊界條件，出口給定徑向分布的靜壓邊界條件。轉子轉速為2 700 r/min。盤腔進口給定流量邊界條件，文中給定的封嚴氣體流量為主流的0.5%。為區(qū)分盤腔封嚴氣體與主流氣體，計算中采用CO2標記，其中主流進口CO2濃度為0，盤腔進口CO2濃度為1。本文的計算不考慮封嚴氣體的冷卻效應。幾何和邊界條件詳細參數(shù)參見文獻[16]。本文旨在探究封嚴結構角度變化對整體氣動性能造成的影響，經(jīng)過與實驗結果作對比，定常計算可以達到本文的計算要求和研究目的。為節(jié)省計算資源，本文采用定常數(shù)值計算。

2.3 數(shù)值方法驗證

為確保定常計算的可靠性，在進行數(shù)值驗證時，同時采用了定常和非定常計算結果同實驗數(shù)據(jù)對比。圖2為第一級靜子和轉子出口氣流角的數(shù)值計算(定常、非定常)與實驗結果對比，具體對比數(shù)據(jù)參考文獻[16]。對于第一級靜子葉片出口氣流角，定常和非定常數(shù)值結果均與實驗結果高度吻合。轉子出口氣流角在70%葉高以下，數(shù)值計算(定常和非定常)均與實驗結果高度吻合，在70%葉高以上，三者出現(xiàn)了差異，相比定常來說非定常與實驗結果在數(shù)值上更加接近。但是定常和非定常結果與實驗結果在變化趨勢上都比較一致。由于本文更多的關注是輪轂端壁附近流場的變化，為此定常計算結果可以滿足要求。

3 結果與分析

圖2 第一級靜子和轉子出口氣流角曲線

圖3 靜子葉片下游輪轂壓力分布曲線

圖4 轉子葉片上游輪轂壓力分布曲線

圖5表示了盤腔出口間隙處無量綱的徑向速度分布，無量綱的速度分布定義為當?shù)貜较蛩俣扰c出口間隙面積加權平均的徑向速度比值。徑向速度大于0表示封嚴冷氣出流，小于0代表主流燃氣入侵。不同封嚴結構角度下，封嚴冷氣出流和主流燃氣入侵在通道內的分布形態(tài)大致相同，燃氣入侵主要發(fā)生在：靜子尾緣、轉子前緣以及轉子前緣和靜子尾緣靠近處這幾個區(qū)域，如圖紅線框所示。隨著封嚴結構角度增大，燃氣入侵區(qū)域明顯增大。特別是當封嚴結構角度為60°時，盤腔間隙處燃氣入侵占據(jù)了大多數(shù)區(qū)域。在靜子尾緣附近流動主要體現(xiàn)為燃氣入侵，而在遠離尾緣但不靠近動葉前緣處主要體現(xiàn)為封嚴冷氣出流。

圖5 盤腔出口間隙無量綱徑向速度分布云圖(上中下分別：30°、45°、60°)Fig.5 Dimensionless radial velocity distribution of disc cavity outlet clearance(upmiddle down:30°、45°、60°)

分別取距離靜盤位置10%(靠近靜盤)，50%(間隙中間)，90%(靠近動盤)3個軸向位置為研究對象。不同軸向位置處，CO2濃度分布如圖6所示。隨著傾斜角增大燃氣入侵在周向和徑向方向都加深。當封嚴角度為30%時，燃氣入侵只發(fā)生在轉子前緣與靜子尾緣靠近的位置，而當封嚴角度增大時，燃氣入侵在周向方向上擴展，當封嚴角度為60°時，燃氣入侵基本覆蓋了周向通道的大部分區(qū)域。在文中所研究范圍內，靠近動盤一側的燃氣入侵程度要強于靠近靜盤處，即可以認為是轉子前緣的位勢對燃氣入侵的作用要強于靜子尾跡的位勢作用。燃氣入侵主要集中在封嚴間隙內。從上到下分別為：距離靜盤10%，50%，90%軸向間隙位置處

圖6 盤腔間隙不同軸向位置處CO2濃度分布云圖

圖7為盤腔對應一個靜子通道的不同周向位置處盤腔截面流線圖，紅色箭頭表示下游轉子的旋轉方向，3個典型周向對應位置(φ/t=0.05，0.5，0.95)分別為：靜子尾緣下游，轉子前緣壓力面上游，靜子尾緣下游和轉子前緣吸力面上游。

圖7 不同周向位置處盤腔截面流線分布示意圖

當封嚴結構角度改變時，可以發(fā)現(xiàn)不同周向位置盤腔內的渦核結構均發(fā)生了較為明顯的變化。當封嚴結構角度為30°時，盤腔內的渦主要受到轉盤泵效應的影響，在盤腔內存在2個明顯的渦核結構，并且在不同周向位置處渦核徑向位置基本不發(fā)生變化，說明當封嚴結構角度為30°時，主流對渦核結構的影響并不明顯。隨著封嚴結構角度增大，在低半徑處渦核位置和大小沒有明顯的變化，高半徑處的渦核結構發(fā)生了較為明顯的變化，在高半徑處，主流入侵燃氣改變了盤腔內渦核的位置和的大小，隨著封嚴角度增大，這種作用更加明顯。特別是當封嚴結構角度為60°，在φ/t=0.05，0.95位置處誘導了新的渦結構。封嚴結構改變了高半徑處渦的結構，從而成為決定燃氣入侵或者封嚴氣體出流的主要因素。

圖8為不同徑向位置處盤腔封嚴效率，在80%盤腔位置處，3種結構的封嚴效率均為1，隨著半徑增大，封嚴效率降低。當封嚴結構角度為30°時，當無量綱的半徑大于0.95時，封嚴效率隨著半徑的增大而降低；封嚴結構角度為45°時，當無量綱半徑大于0.9時，封嚴效率隨著半徑的增大而降低；而當封嚴結構角度為60°時，封嚴效率開始減小的值降低至82%半徑高度處。在無量綱半徑大于0.82的區(qū)域內，封嚴結構角度的增大，使得封嚴效率急劇下降，即燃氣入侵程度增加。在100%高度處，60°封嚴結構封嚴效率僅為30°封嚴結構的44%，也即斜向角度增大30°，可使封嚴效率最大下降44%。與上述分析得到了相同的結論。

圖8 不同徑向位置封嚴效率分布曲線

圖9為不同靜子出口、轉子進口、轉子出口軸向渦量分布云圖。其中：第一級靜子出口截面位于靜子葉片下游10%靜子軸向弦長位置處(間隙上游)，轉子進口位于轉子葉片上游10%第一級靜子軸向弦長處(間隙下游)，轉子出口位于轉子葉片下游10%第一級靜子軸向弦長處。不同封嚴角度封嚴結構下，靜子出口截面的渦結構分布類似，即為通道渦和脫落渦，相對位置和強度也比較接近。由于本文計算的封嚴流量較小，在3中封嚴結構角度下，輪緣密封處的流動對靜子通道幾乎沒有影響；封嚴結構改變對主流的影響，主要體現(xiàn)在對轉子入口的影響上面，由于封嚴氣體出流和燃氣入侵在盤腔間隙處形成了復雜的渦系結構，表現(xiàn)為在轉子上游形成了3個明顯的正負渦量區(qū)域，與轉子的位置相對應。隨著封嚴結構角度的增大，正負渦量區(qū)域均有所增大，因為封嚴結構角度增大燃氣入侵和封嚴氣體出流的剪切作用更明顯，因此誘導出更強的剪切渦，而這個剪切渦向下游發(fā)展，則會成為轉子通道渦的一部分，并且促進轉子通道渦的發(fā)展，斜向角度為60°的轉子出口通道渦相比于30°和45°在徑向的區(qū)域要更大。

圖9 軸向渦量分布云圖(從上到下依次為：靜子出口、轉子進口、轉子出口)

圖10 轉子葉片5%葉高處壓力系數(shù)分布曲線

4 結論

對lisa1.5級渦輪裝置設計了3種不同角度的斜向盤腔封嚴裝置。數(shù)值模擬結果表明斜向角度的改變會顯著影響盤腔和主流的流動特征。具體結論如下：

1) 隨著斜向角度增大，主流燃氣入侵盤腔程度加劇，造成盤腔高半徑處封嚴效率急劇下降。

2) 冷氣出流對封嚴間隙下游的壓力勢場影響程度要強于對上游的。

3) 燃氣入侵和封嚴冷氣出流相互作用形成的間隙渦會改變盤腔內高半徑渦核結構，同時剪切的間隙渦會增強轉子下游通道渦的發(fā)展。隨著斜向角度增大，這種作用會被放大。

4) 隨著斜向角度的增大，較強的間隙渦使得轉子下游通道渦區(qū)域在徑向增大，從而使得轉子葉片的負荷能力降低。