航空发动机典型篦齿封严泄漏特性的数值和实验研究

论文摘要

篦齿封严是一种结构简单、性能可靠的封严结构,在航空发动机等旋转机械中得到了广泛的应用。它主要利用流道的突扩和突缩,消耗流体的动能增加流阻以限制或阻止流体泄漏。篦齿封严性能的提高对发动机性能的改善具有显著的作用。但目前国内对一些典型篦齿封严结构如金属蜂窝衬套、过渡状态下篦齿切入衬套等结构的泄漏特性尚缺乏详细的研究,尚不具备完善的篦齿封严数据库。本文针对这些问题开展了一定的深入研究。首先对国内外有关篦齿封严的文献进行了综合分析,归纳了各主要影响因素对篦齿封严特性的影响规律。其次设计并建立了篦齿封严旋转实验台,该台最大转速为3000r/min,进口最大压力为0.8Mpa,可对齿尖直径介于70～590mm之间的篦齿封严结构的泄漏特性进行实验。然后对直通篦齿-光滑衬套、直通篦齿-蜂窝衬套和台阶篦齿-光滑衬套等3种篦齿封严结构的泄漏特性进行了实验研究和数值计算。分析了齿腔的射流特性、篦齿临界特性以及压力损失特性,研究了篦齿结构尺寸、转速和压比等参数的影响规律。在此基础上发展了封严性能更好的直通篦齿-齿间浅槽衬套封严结构。研究表明在发动机起动阶段,篦齿前腔压力逐渐升高的过程中,齿腔内的流体在射流的卷吸作用和流体的粘性作用下运动并产生旋涡,齿腔内旋涡的大小和位置不断发生变化并逐步趋于稳定。在稳定状态下,齿间压力沿流动方向线性下降。齿腔内的射流符合二维壁面射流特性,据此发展的泄漏量计算公式比基于自由射流理论的公式得到的泄漏量更接近于实验值。篦齿封严的泄漏系数随着篦齿组件进出口压比的增加迅速增加;当最后一节篦齿齿尖处流动处于堵塞状态时,随着进出口压比的进一步增加,篦齿泄漏系数不再发生变化,但临界截面向来流方向移动。在节流间隙小于0.25mm时,篦齿-蜂窝衬套结构的封严性能比等间隙下篦齿-光滑衬套要差。上台阶篦齿和下台阶篦齿的封严特性相当,其泄漏系数比齿型相同的直通齿降低了30%。在不考虑实际结构由于转速和温度变化引起的间隙变化时,除了在高转速时台阶篦齿的泄漏量随转速的增加线性下降外,旋转对所研究的其余各种篦齿封严的泄漏量影响不大。静止衬套上由于篦齿切入而造成的磨损槽的存在改变了节流后的壁面射流运动和扩散方向。篦齿切入磨损槽时,节流作用增强,封严性能显著提高。在与齿腔正对的静止衬套上预先人工车制环形浅槽可以破坏壁面射流附面层的轴向连续性,使射流在流经环形浅槽时流动方向发生偏转,进而大大降低透气效应提高封严性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.1.1 航空发动机中篦齿封严的应用
• 1.1.2 篦齿封严的性能退化和结构故障易导致发动机故障
• 1.1.3 改进封严效果对提高发动机性能的作用
• 1.2 国内外文献综合分析
• 1.2.1 篦齿封严泄漏特性参数
• 1.2.2 研究方法
• 1.2.3 篦齿封严特性影响因素分析
• 1.2.4 工程设计技术现状与还应考虑的问题
• 1.3 本文的主要工作和创新点
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 创新点
• 第二章 研究方法
• 2.1 数值研究方法
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 紊流模型
• 2.1.3 近壁面处理－壁面函数法
• 2.1.4 计算模型与边界条件
• 2.1.5 网格的生成与网格的独立性验证
• 2.2 实验研究方法
• 2.2.1 篦齿旋转实验系统
• 2.2.2 实验台结构特点
• 2.2.3 实验过程
• 2.2.4 实验的可重复性研究
• 2.3 实验模型
• 第三章 直通齿－光滑衬套组合结构泄漏特性的研究
• 3.1 实验研究以及对数值计算方法的验证
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 实验件及其在实验台上的安装
• 3.1.3 计算域、网格划分及边界条件
• 3.1.4 结果与分析
• 3.1.5 小结
• 3.2 起动特性、临界特性及齿腔结构影响的数值分析
• 3.2.1 起动特性
• 3.2.2 临界特性
• 3.2.3 齿腔结构对封严的影响
• 3.3 泄漏量经验公式的修正－基于壁面射流理论
• 3.3.1 二维壁面射流理论
• 3.3.2 残余动能因子修正
• 3.4 本章结论
• 第四章 直通齿－蜂窝衬套组合结构泄漏特性的研究
• 4.1 实验研究
• 4.1.1 篦齿－蜂窝结构简介
• 4.1.2 蜂窝实验件与试验台
• 4.1.3 实验结果与分析
• 4.1.4 小结
• 4.2 数值模拟
• 4.2.1 物理模型、边界条件
• 4.2.2 网格划分与紊流模型选择
• 4.2.3 计算结果与分析
• 4.2.4 小结
• 4.3 本章结论
• 第五章 台阶齿－光滑台阶衬套组合结构泄漏特性的研究
• 5.1 实验研究
• 5.1.1 台阶篦齿与衬套实验件及试验台
• 5.1.2 实验结果与分析
• 5.1.3 小结
• 5.2 数值研究
• 5.2.1 计算模型、边界条件和网格划分
• 5.2.2 紊流模型
• 5.2.3 计算结果与分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 本章结论
• 第六章 直通齿－凹槽衬套组合结构泄漏特性的研究
• 6.1 齿尖磨损槽对篦齿封严结构泄漏特性的影响研究
• 6.1.1 物理模型和计算模型
• 6.1.2 网格划分、紊流模型及边界条件
• 6.1.3 结果与分析
• 6.1.4 小结
• 6.2 齿间浅槽对篦齿封严结构泄漏特性的影响研究
• 6.2.1 物理模型和计算模型
• 6.2.2 网格划分、紊流模型与边界条件
• 6.2.3 计算结果与分析
• 6.2.4 实验验证
• 6.2.5 小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.1.1 关于篦齿封严的机理
• 7.1.2 关于篦齿封严的泄漏特性
• 7.1.3 对当前封严结构设计技术和方法的建议
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录1 试验台设计
• 附录2 实验数据处理及误差分析