基于正交法的篦齿封严结构的传热特性研究

论文摘要

篦齿封严结构是一种结构简单、性能可靠地传统非接触式密封结构,但影响其流动和换热特性的因素有很多,如篦齿结构和几何参数、转速、进出口压比、气流的温度和压力等,经文献分析可知,转速对泄漏特性的影响不明显,尤其是在小转速情况下,而且,一般篦齿封严结构的节流间隙宽度c远小于旋转半径r,弧度较小的圆弧环形流道可近似为矩形通道,泄漏特性比较接近,简化了节流间隙宽度大小的调节,其间不需要更换试验件,大大降低试验成本,减少试验周期。研究得出航空发动机中篦齿封严结构的单一影响因素对流动和换热特性影响的基本规律,拟合得到相应的设计准则关系式,为篦齿封严数据库填充数据。在本文的研究过程中,分别针对不同的影响因素开展研究,主要分为两部分内容:一是设计二维静止传热试验台对齿形几何参数的影响规律进行试验研究;二是针对盘缘篦齿封严结构研究转速和风阻效应的影响大小。对于试验部分,运用正交试验法合理制定了二维传热试验台的试验研究方案,从15625个试验中抽选出25个具有代表性的试验,从而设计了25个试验件,在相似理论的指导下结合数值模拟方法完成了试验台的具体结构尺寸设计,然后绘制图纸、制造加工、装配调试,确保试验台最终的装配精度,从而保证了试验结果的准确与可靠。试验过程中对各参数进行了测量,得出了一系列的试验数据,发展了试验与数值相结合的研究方法,然后用正交试验法进行了试验结果的后处理,总结出一套齿形结构优化的方法体系,并通过最小二乘法得到了试验状态下的泄漏特性和传热特性的经验公式,为今后航空发动中的篦齿封严结构的设计提供指导和依据。对于盘缘篦齿封严结构,开展了泄漏特性和传热特性的数值计算,得出了流场和温度场,并获得了转速对泄漏特性以及换热特性的影响规律,尤其是针对模型c数值模拟了二次流通道的风阻效应,得出了风阻系数随转速的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 结构简介及其应用
• 1.2.1 密封机理
• 1.2.2 典型结构形式
• 1.2.3 工程应用
• 1.3 国内外研究回顾
• 1.3.1 流动特性研究
• 1.3.2 换热特性研究
• 1.3.3 盘缘篦齿的国内外研究
• 1.4 本文的研究工作及创新点
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 创新点
• 第二章 单一影响因素的试验台设计
• 2.1 试验内容及目的
• 2.2 相似理论分析
• 2.2.1 控制方程形式
• 2.2.2 控制方程的无量纲化
• 2.2.3 重要相似准则的讨论
• 2.2.4 小结
• 2.3 正交设计原理
• 2.3.1 正交试验设计
• 2.3.2 试验参数的选择
• 2.3.3 正交表的选取
• 2.3.4 试验模型的确定
• 2.3.5 试验件设计
• 2.4 试验台总体设计方案
• 2.4.1 试验工况参数
• 2.4.2 试验台总体组成
• 2.5 试验台具体结构设计
• 2.5.1 试验段尺寸的确定
• 2.5.2 气流通道设计
• 2.5.3 测量仪器及测试系统
• 2.5.4 试验步骤及注意事项
• 2.6 本章总结
• 第三章 单一影响因素的试验结果分析
• 3.1 数据分析和处理方法
• 3.1.1 直观分析法
• 3.1.2 方差分析法
• 3.2 泄漏特性单一因素分析
• 3.2.1 流动试验数据处理流程
• 3.2.2 压比影响
• 3.2.3 小结
• 3.3 换热特性单一因素分析
• 3.3.1 传热试验数据处理方法
• 3.3.2 压比影响
• 3.3.3 小结
• 3.4 本章总结
• 第四章 盘缘篦齿的流动换热数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数值研究方法
• 4.2.1 基本控制方程
• 4.2.2 紊流模型
• 4.2.3 近壁面处理
• 4.2.4 风阻效应分析
• 4.2.5 小结
• 4.3 计算模型及参数设置
• 4.3.1 物理模型及计算域
• 4.3.2 网格划分
• 4.3.3 边界条件设置
• 4.3.4 模型参数设置
• 4.3.5 算法说明
• 4.4 模型b 的流动与换热结果及分析
• 4.4.1 篦齿封严结构内的速度场
• 4.4.2 篦齿封严结构内的压力场
• 4.4.3 篦齿封严结构内的温度场
• 4.4.4 转速对流量的影响规律
• 4.4.5 转速对换热特性的影响规律
• 4.4.6 小结
• 4.5 模型c 的流动与换热结果及分析
• 4.5.1 篦齿封严结构内的速度场
• 4.5.2 篦齿封严结构内的压力场
• 4.5.3 篦齿封严结构内的温度场
• 4.5.4 转速对流量的影响规律
• 4.5.5 转速对换热特性的影响规律
• 4.5.6 小结
• 4.6 模型c 的风阻效应结果及分析
• 4.6.1 方法探索
• 4.6.2 真实模型风阻效应
• 4.7 模型d 光滑衬套的流动与换热结果及分析
• 4.7.1 封严结构内的速度场
• 4.7.2 篦齿封严结构内的压力场
• 4.7.3 篦齿封严结构内的温度场
• 4.7.4 转速对流量的影响规律
• 4.7.5 转速对换热特性的影响规律
• 4.7.6 小结
• 4.8 模型d 蜂窝衬套的流动与换热结果及分析
• 4.8.1 封严结构内的速度场
• 4.8.2 篦齿封严结构内的压力场
• 4.8.3 篦齿封严结构内的温度场
• 4.8.4 转速对流量的影响规律
• 4.8.5 转速对换热特性的影响规律
• 4.8.6 小结
• 4.9 总结
• 第五章 总结及展望
• 5.1 总结
• 5.2 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
• 附录A 强度校核
• 附录B 实验台图纸