篦齿结构对封严性能的影响

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1、篦 齿 结 构 对 封 严 性 能 的 影 响 杨 淋 麟 张 丽 朱 惠 人( 西 北 工 业 大 学 动 力 与 能 源 学 院 ， 西 安 710072)摘 要 基 于 数 值 模 拟 方 法 建 立 二 维 篦 齿 模 型 。 通 过 多 种 工 况 的 计 算 ， 从 分 析 齿 腔 内 流 场 研 究 不 同 齿 顶 边 缘 以 及 齿 顶 倒 角半 径 大 小 变 化 对 封 严 特 性 的 影 响 ; 并 通 过 分 别 改 变 篦 齿 前 后 边 倾 斜 角 度 ， 确 定 篦 齿 最 佳 倾 斜 度 。 将 计 算 数 据 和 实 验 数 据 进 行 比 较 ， 发 现 变

2、 化 规 律 一 致 ， 误 差 较 小 。 研 究 表 明 : 齿 顶 倒 角 半 径 是 影 响 篦 齿 封 严 效 果 的 重 要 因 素 。 倒 角 半 径 小 于 0. 07 mm 时 ， 增 大 0. 02 mm， 泄 漏 系 数 增 大 2% ; 倒 角 半 径 大 于 0. 07 mm 时 ， 每 增 大 0. 02 mm， 泄 漏 系 数 增 大 1% 左 右 。 当 篦 齿 前 倾 角 为 20 左 右 ， 后 倾 角 为 35 40时 为 篦 齿 最 佳 倾 斜 度 ， 且 后 倾 角 对 篦 齿 封 严 的 影 响 大 于 前 倾 角 。关 键 词 封 严 特 性 篦

3、齿 结 构 齿 顶 倒 角 半 径 最 佳 倾 斜 度V231. 3;中 图 法 分 类 号 文 献 标 志 码 A封 严 篦 齿 是 包 括 航 空 发 动 机 在 内 的 各 种 旋 转 机 械 中 的 重 要 密 封 元 件 ， 对 其 进 行 深 入 的 研 究 具 有 重 要 的 意 义 并 可 取 得 明 显 的 经 济 效 益 。 它 利 用 通 道 的 突 扩 和 突 缩 来 增 加 流 阻 ， 消 耗 能 量 ， 有 效 减 少 了 不 必 要 的 泄 漏 ， 控 制 轴 承 负 担 ， 保 持 各 腔 室 的 工 作 压 力 。 国 内 外 很 多 学 者 对 影 响 直

4、通 型 篦 齿 封 严 特 性 的 因 素 做 了 大 量 的 实 验 和 数 值 研 究 。 对 影 响 直 通 篦 齿 封 严 特 性 的 因 素 的 研 究 大 多 集 中 在 齿 数 、密 封 间 隙 、 前 后 腔 压 比 、 齿 腔 形 状 等 15 ， 文 献 6对 篦 齿 封 严 性 能 影 响 较 大 的 因 素 ， 提 出 篦 齿 齿 顶 迎 风 处 的 倒 角 半 径 对 封 严 性 能 影 响 甚 至 大 于 齿 高 齿 宽 的 影 响 。 王 锁 芳 等 7 选 用 了 4 种 篦 齿 倾 斜 角 度 进 行 数 值 模 拟 ， 发 现 当 篦 齿 朝 气 流 倾 斜

5、 一 定 角 度 时 ， 有 利 于 封 严 ， 认 为 考 虑 工 艺 性 以 及 封 严 效 果 的 综 合 因 素 ， 倾 角 选 择 在 60左 右 较 为 合 理 。本 文 采 用 商 业 计 算 软 件 对 篦 齿 内 部 流 场 进 行 数 值 模 拟 ， 通 过 改 变 篦 齿 齿 顶 倒 角 半 径 大 小 ， 分 析 倒 角 半 径 对 篦 齿 封 严 特 性 的 影 响 ; 并 且 分 别 对 篦 齿 的 前 倾 角 ( 即 篦 齿 前 边 与 竖 直 方 向 的 夹 角 ) 和 后 倾 角 进 行 微 小 的 改 变 ， 在 前 人 研 究 基 础 上 进 一 步 确

6、定篦 齿 倾 斜 最 佳 角 度 。1 计 算 方 法计 算 用 的 模 型 如 图 1 所 示 ， 影 响 篦 齿 封 严 特 性的 参 数 ， 主 要 有 节 流 间 隙 s = 0. 2 mm， 齿 数 z = 5， 齿 腔 宽 度 B = 4 mm， 齿 腔 深 度 H = 4 mm， 齿 间 厚 度 t =0. 4 mm， 齿 顶 倒 角 ， 篦 齿 前 边 倾 斜 角 度 x， 后 边 倾 斜 角 度 ， 前 后 边 夹 角 ， 封 严 长 度 L = 22 mm。 由 于 模 型 中 存 在 较 小 尺 度 ， 对 网 格 划 分 和 计 算 条 件 提 出 更 高 的 要 求

7、， 为 了 保 证 网 格 的 质 量 ， 采 用 非 结 构 化 三 角 形 网 格 对 计 算 模 型 进 行 网 格 划 分 ， 齿 尖 处 间 隙 较 小 ， 为 更 准 确 模 拟 齿 尖 处 的 流 动 状 况 ， 需 要 足 够 多 的 网 格 数 ， 因 此 对 齿 尖 附 近 网 格 进 行 加 密 ， 且 在 壁 面 上 布 置 6 层 边 界 层 网 格 ， 采 用 1. 2 系 数 的 比 例 。 如 图 2 所 示 。2013 年 6 月 28 日 收 到 ， 8 月 2 日 修 改第 一 作 者 简 介 : 杨 淋 麟 ( 1987) ， 女 ， 重 庆 人 ， 硕

8、 士 研 究 生 。 研 究 方 向 : 航 空 发 动 机 热 端 部 件 的 流 动 与 换 热 。 E-mail: 93419285 qq com。图 1 计 算 模 型 及 几 何 参 数近 年 来 ， 篦 齿 封 严 特 性 的 计 算 模 型 主 要 以 双 方程 k- 模 型 为 主 ， 计 算 采 用 标 准 k- 模 型 8， 9 ， 计 算10070 科 学 技 术 与 工 程 13 卷图 2 网 格 示 意 图中 采 用 了 稳 态 、 可 压 缩 、 分 离 隐 式 求 解 器 对 篦 齿 节 流 间 隙 的 流 场 进 行 了 计 算 ， 近 壁 区 域 采 用 壁

9、面 函 数 法 。 对 流 项 均 采 用 二 阶 精 度 的 迎 风 格 式 进 行 离 散 ， 压 力 和 速 度 采 用 SIMPLE 耦 合 方 法 ; 对 压 力 校 正 方 程 、 连 续 方 程 、 动 量 方 程 、 k 和 方 程 都 进 行 了 亚 松 弛 处 理 ， 在 迭 代 计 算 过 程 中 逐 步 调 整 松 弛 因 子 ; 数 值 模 拟 中 的 具 体 边 界 条 件 设 定 如 下 : 左 边 为 压 力 进 口 。 右 边 为 压 力 出 口 ， 温 度 恒 定 300K。 壁 面 边 界 条 件 : 壁 面 无 滑 移 且 固 体 壁 面 为 绝 热 条

10、 件 。 流 体 密 度 按 理 想 气 体 计 算 ， 导 热 系 数 和 比 热 容 设 为 常 数 ， 黏 性 系 数 按 萨 瑟 兰 公 式 计 算 。图 3 计 算 结 果 和 实 验 对 比 情 况向 下 一 个 齿 尖 节 流 口 ， 另 一 部 分 在 齿 腔 中 形 成 涡 流 ， 且 泄 漏 流 动 的 能 量 损 失 主 要 是 齿 尖 节 流 处 的 耗 散 损 失 、 流 动 的 局 部 滞 止 损 失 、 篦 齿 腔 内 剪 切 流 带 动 旋 涡 造 成 的 黏 性 损 失 以 及 流 体 突 然 改 变 方 向 引 起 的 损 失 等 。 加 入 齿 顶 倒 角

11、 后 ， 气 体 流 经 节 流 间 隙 时 ， 由 于 齿 尖 迎 风 边 缘 的 形 状 不 同 ， 流 束 收 缩 效 应 变 小 ， 气 体 更 容 易 从 节 流 间 隙 流 出 齿 腔 ， 大 大 消 弱 了 篦 齿 节 流 耗 能 的 效 果 ， 节 流 耗 散 损 失 减 小 ; 齿 腔 内 的 涡 流 湍 流 度 减 弱 ， 流 动 稳 定 ， 与 上 部 射 流 区 的 流 体 质 量 交 换 减 少 ， 减 少 了 流 动 阻 力 ， 这 些 都 使 得 泄 漏 量 增 大 ， 篦 齿 的 封 严 性 能 减 弱 。2 数 值 模 拟 结 果 与 分 析在 篦 齿 封 严

12、 结 构 中 ， 泄 漏 系 数 主 要 作 为 评 价密 封 效 果 的 优 劣 ， 泄 漏 系 数 定 义 为 10 := mr * */ ( Pi A) 。 槡 Ti * *式 中 ， mr 为 篦 齿 泄 漏 质 量 流 量 ， Pi 、 Ti 分 别 是 进 口总 压 和 总 温 ， A = Ds 是 篦 齿 间 隙 的 泄 漏 面 积 ， D 是间 隙 处 直 径 的 平 均 值 ， s 是 节 流 间 隙 。2. 1 数 值 模 拟 结 果 与 实 验 结 果 比 较图 3 给 出 前 倾 角 x = 15， 后 倾 角 = 30， 倒 角 半 径 = 0 时 值 模 拟 结 果

13、 和 实 验 结 果 的 对 比 情 况 ， 横 坐 标 为 进 出 口 压 比 Pr ， 纵 坐 标 为 泄 漏 系 数 。 由 对 比 可 知 数 值 模 拟 和 实 验 结 果 吻 合 较 好 ， 最 大 误 差 为 7% ， 这 表 明 本 文 中 数 值 模 拟 结 果 是 可 靠 的 。2. 2 齿 顶 倒 角 半 径 的 影 响图 4 第 二 个 齿 腔 内 的 速 度 矢 量 图 ， 图 5 是 第 三 齿 齿 顶 迎 风 处 ( 即 图 4 中 用 圆 圈 标 出 的 部 分 ) 放 大 后 的 速 度 矢 量 图 。 从 图 中 观 察 气 体 的 流 动 状 况 ， 由

14、图 中 可 以 看 出 ， 当 气 体 进 入 篦 齿 后 ， 一 部 分 直 接 冲图 4 速 度 矢 量图 6 是 齿 顶 倒 角 半 径 时 分 别 为 0. 08 mm、 0. 1mm、 0. 12 mm 时 第 三 个 齿 顶 处 的 速 度 矢 量 图 ， 从 图33 期 杨 淋 麟 ， 等 : 篦 齿 结 构 对 封 严 性 能 的 影 响 10071图 5 齿 顶 处 放 大 图中 可 以 更 清 晰 地 看 出 气 体 在 流 进 节 流 间 隙 时 的 流 动 状 况 。 如 图 所 示 ， 在 齿 顶 倒 角 处 ， 随 着 倒 角 的 半 径 增 大 ， 节 流 间 隙

15、 迎 风 面 积 增 大 ， 节 流 效 果 进 一 步 减 弱 ， 更 多 的 流 体 可 以 从 间 隙 流 出 齿 腔 ， 射 流 区 流 体 的 高 速 流 动 对 齿 腔 内 的 气 流 存 在 引 射 效 应 ， 加 速 腔 内 气 流 的 流 出 ， 泄 漏 量 增 大 。图 7 倒 角 半 径 对 泄 漏 系 数 的 影 响齿 进 行 数 值 模 拟 。 图 7 为 篦 齿 后 倾 斜 角 度 分 别 为 0、 30和 45时 对 应 的 泄 漏 系 数 随 压 比 的 变 化 情 况 。图 6 不 同 倒 角 半 径 的 速 度 分 布图 7 所 示 为 不 同 倒 角 半 径 下 ， 泄 漏 系 数 随 进 出口 压 比 增 大 的 变 化 。 从 图 中 可 以 看 出 倒 角 半 径 变 化 对 泄 漏 系 数 的 影 响 ， 随 着 齿 顶 倒 角 半 径 的 增 大 ， 泄 漏 系 数 也 逐 渐 增 大 ，