旋轉(zhuǎn)指尖密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及泄漏性能仿真分析

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)代設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)市，453000）陳 莉

當(dāng)前，航空技術(shù)快速進(jìn)步，需要達(dá)到更大的推重比并且不斷降低油耗，因此需要有效克服航空發(fā)動機(jī)存在的密封泄漏問題[1]。指尖密封可以滿足轉(zhuǎn)子軸向與徑向跳動適應(yīng)性，與篦齒密封方式相比可以獲得更良好的密封效果，與刷密封相比則可以有效降低制造成本，已引起眾多研究人員的密切關(guān)注[2-3]。

為滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求，需對指尖密封結(jié)構(gòu)引起泄漏的因素進(jìn)行深入分析。例如，王強(qiáng)[4]根據(jù)前期文獻(xiàn)報(bào)道的指尖密封多孔模型研究結(jié)果，在固體導(dǎo)熱基礎(chǔ)上設(shè)置了指尖梁間接觸傳熱的方式，針對指尖密封傳熱方式構(gòu)建了模型，利用數(shù)值分析的方法評估了熱效應(yīng)引起的指尖密封泄漏性變化。通過分析指尖密封側(cè)隙泄漏影響因素可知，在指尖梁表面存在許多粗糙的凹凸結(jié)構(gòu)，兩個表面接觸后產(chǎn)生的細(xì)小孔隙尺寸比指尖梁縫隙尺寸更小，起到有效抑制泄漏的作用[5]。

目前關(guān)于指尖密封結(jié)構(gòu)的研究多是考慮側(cè)隙泄漏的影響因素，對接觸界區(qū)域的孔隙處泄漏的研究不足。本文以流體經(jīng)過密封指尖梁接觸界區(qū)域的孔隙處的泄漏作為側(cè)隙泄漏；同時(shí)利用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了多孔介質(zhì)模型，構(gòu)建了可以對指尖密封側(cè)隙泄漏進(jìn)行分析的方法。

1 指尖密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

指尖密封結(jié)構(gòu)的各組成部分，主要包括通過擋板夾持的指尖梁，相互間呈現(xiàn)交錯疊置的狀態(tài)，各指尖梁沿圓周方向從根圓處進(jìn)行加工形成了許多呈現(xiàn)細(xì)長曲線形態(tài)的指尖梁[6]。圓的結(jié)構(gòu)尺寸包括圓直徑De；外圓直徑Dw，根內(nèi)圓直徑Dr。指尖梁的結(jié)構(gòu)尺寸包括縫隙寬s，縫之間寬度fw；高度為hx，詳見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)指尖密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真模型

圖2可以看到以多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行指尖密封側(cè)隙泄漏測試的仿真范圍。

圖2 仿真模型

針對漸開線形式的指尖密封進(jìn)行分析，表1we出了該結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)。采用GH4169鎳基合金制備指尖梁，該合金的彈性模量為206GPa，泊松比為0.31；后擋板與轉(zhuǎn)子則以GH605鈷基合金作為制造材料，對應(yīng)的彈性模量為230GPa，泊松比為0.285。同時(shí)以空氣作為指尖密封介質(zhì)。

表1 指尖密封主結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 指尖密封流場分布

圖3是進(jìn)行指尖密封側(cè)隙泄漏測試得到的壓力分布圖。在上述測試條件下得到的指尖密封側(cè)隙泄漏率為0.042g/s。

圖3 速度分布圖

由圖3分析可知，前擋板下游保護(hù)區(qū)中發(fā)生了流道寬度的迅速降低，引起流體速度的迅速增大。進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)時(shí)，受孔隙影響，依然可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)有流體運(yùn)動，但因?yàn)槭艿叫〕叽缈紫兜墓?jié)流作用，流體只能以很慢的速度進(jìn)行流動，并且運(yùn)動方向也存在較大差異。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，后擋板對流體運(yùn)動過程造成了一定的制約，引起運(yùn)動速度的快速增大。

圖3 1#樣品彈性模量G'和粘性模量G”變化曲線圖

3.2 指尖梁影響因素分析

3.2.1 指尖梁表面紋理

設(shè)定壓差為0.3MPa、轉(zhuǎn)子位移激勵為15μm、粗糙度為1.5μm的情況下，表2顯示了不同指尖梁表面紋理方向下的主流道與側(cè)隙泄漏程度及其對總泄漏造成的影響。隨著指尖梁表面由橫向紋理轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向紋理的過程中，形成了基本穩(wěn)定的主流道泄漏，而側(cè)隙泄漏則發(fā)生了持續(xù)增大。在指尖梁表面形成橫向紋理特征后，因?yàn)榇植诜寮狗较虼怪庇诹黧w方向，流體只能穿過有限的粗糙峰脊，對應(yīng)的流通面積也很小，導(dǎo)致流動阻力明顯提高，因此只在指尖密封側(cè)發(fā)生很少的泄漏；在指尖梁表面形成縱向分布的紋理時(shí)，粗糙峰脊的方向也跟流體的流動方向相同，流體可以通過粗糙峰脊間的凹谷通道，從而顯著降低了流動阻力，產(chǎn)生了更大的側(cè)隙泄漏。

根據(jù)表2所示的不同指尖梁表面粗糙度紋理方向下的主流道與側(cè)隙泄漏比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著指尖梁表面由橫向紋理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向紋理的過程中，獲得了更小的主流道泄漏比例，而側(cè)隙泄漏則發(fā)生了明顯提高。這是因?yàn)橹讣饬罕砻嬗蓹M向紋理轉(zhuǎn)變至縱向紋理的時(shí)候，發(fā)生了流體阻力的降低，引起更明顯的指尖密封側(cè)隙泄漏。

表2 泄漏參數(shù)隨指尖梁表面紋理變化

3.2.2 上下游壓差

表3為不同上下游壓差的情況下泄漏狀態(tài)變化。結(jié)果表明，逐漸增大指尖密封上下游壓差時(shí)，主流道、側(cè)隙都發(fā)生了增大的變化趨勢。逐漸提高上下游壓差時(shí)，除了產(chǎn)生更明顯指尖密封現(xiàn)象以外，還引起指尖靴底和轉(zhuǎn)子徑向形成了更大的泄漏間隙，并使流體獲得了進(jìn)入徑向泄漏間隙的更大驅(qū)動力，使得指尖密封上下游壓差提高后，在主流道中產(chǎn)生了更大程度的泄漏。隨著主流道與側(cè)隙泄漏提高后，指尖密封也達(dá)到了更高的總泄漏。

根據(jù)表3所示，不同上下游壓差條件下的主流道與側(cè)隙泄漏比。逐漸提高上下游壓差之后，發(fā)生了主流道泄漏比降低的現(xiàn)象，同時(shí)引起側(cè)隙泄漏比增大的結(jié)果。這是因?yàn)樘岣咧讣饷芊馍舷掠螇翰詈螅瑐?cè)隙泄漏發(fā)生了更快增長而引起的。

表3 泄漏參數(shù)隨上下游壓差變化

4 結(jié)論

利用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了多孔介質(zhì)模型，構(gòu)建了對指尖密封側(cè)隙泄漏進(jìn)行分析方法。前擋板下游保護(hù)區(qū)中發(fā)生了流道寬度的迅速降低，引起運(yùn)動速度的快速增大。隨著指尖梁表面由橫向紋理轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向，形成穩(wěn)定主流道泄漏，側(cè)隙泄漏持續(xù)增大，獲得更小主流道泄漏比例，側(cè)隙泄漏明顯提高。逐漸增大指尖密封上下游壓差時(shí)，主流道、側(cè)隙增大，主流道泄漏比降低，側(cè)隙泄漏比增大。