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1、 涡轮导向器周向封严片泄漏特性数值研究 李剑白，乔瑞强，唐 涛，张克祥，赖志龙(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)1 引言航空发动机实际工作中，必须提取一定量的压缩气体对热端部件进行冷却和封严，同时在主流道连接处的缝隙中，不可避免地存在气体泄漏，而这些冷却和泄漏气体对发动机性能具有显著的影响。Moore1指出，发动机中泄漏量下降1%，会使耗油率下降0.4%。Ludwig等2介绍了一个封严结构研究项目中获得的节能收益，相当于美国1977年能源消耗的0.3%，约为5.883109L亿加仑燃油。NASA 先进亚声速运输(AST)项目，以AE3007 涡扇发动机和T800涡轴发动机为对象
2、，研究了发动机先进封严技术，其研究成果可以使耗油率下降2.6%5.2%3。美国IHPTET计划第二、第三阶段中，空气系统的密封泄漏量目标是分别减少50%和60%，以使高压压气机效率提高4.4%，相当于涡轮进口温度降低47或发动机推力提高7.6%；使高压涡轮效率提高4.2%，相当于涡轮进口温度降低52或发动机推力提高9.7%4。GE公司将六西格玛设计方法应用于封严设计中，使GE 燃机功率输出提高0.3%1.0%5。燃气涡轮发动机内部结构很复杂，封严问题研究范畴也较广泛，包括气动封严系统6、篦齿封严7、指尖封严8-9、U型/W型封严圈10-12等。Chupp等13对叶轮机械中应用的各种封严结构，进
3、行了较为全面的总结，具有较高的参考价值。本文关注的是涡轮导向器周向封严问题。对于非整环加工的涡轮导向器，相邻叶片上下缘板在周向存在缝隙，这些缝隙往往采用封严片进行封严。封严片放置于相邻叶片缘板的封严槽中，如果能与封严槽紧密配合，理论上可以实现绝对封严。然而，在加工、装配中很难保证相邻封严槽底面在同一平面上，在工作中叶片缘板和封严片还会发生变形，因此，往往会存在缝隙和泄漏。NASA 在E3计划14中，评估了导叶内外缘板滑键式封严对泄漏控制的有效性，试验证实封严槽结构、表面平整度对泄漏影响很大。Aksit 等15-16指出，高压涡轮导向器和机匣内部连接泄漏，除了会导致效率下降，还会扭曲温度分布，对
4、应力和NOx排放产生不利的影响。考虑到高压涡轮导向器和机匣内部连接缝隙存在的相对位移，采用织物包裹的封严片来解决。与刚性封严片相比，织物包裹的封严片可使泄漏量减少65%77%。该封严片在GE公司的燃机上使用，可使F级燃机功率输出增加0.5%。Minnich 等17为了应对静子组件间的位移和扭曲，发明了一种具有较高适应性的封严片结构。总结国内外在该领域的研究发现，针对涡轮导向器周向封严问题鲜见系统的参数化研究。随着仿真技术不断发展，CFD 方法在涡轮流场计算18-19和节流元件流动计算8-10中得到广泛应用，已成为涡轮工程设计和研究中不可或缺的手段。本文采用CFD方法，系统地研究了平板封严片关键
5、设计参数对泄漏特性的影响，对比分析了平板、U 型、O 型结构封严片内部流动形式和封严效果，可为涡轮导向器周向封严的工程设计提供参考。2 封严片模型图1例举了3种封严片可能的缝隙构型，包括悬空型、错位型、倾斜型，其中错位型和倾斜型又可归纳为台阶型。实际工作中，涡轮导向器周向封严片的构型会更加复杂。图1 封严片可能的缝隙构型Fig.1 Possible gap structure of seal strip鉴于悬空型和台阶型两种间隙形式，分别代表了平板封严片面接触和线接触的典型结构，且平板封严片的实际工作基本可以用这两种形式组合，故本文拟对比这两种间隙形式的内部流动和泄漏特性。图2 给出了平板封严
6、片的结构参数。如图所示，当封严片与封严槽间存在间隙i(悬空型)或iL、iR(台阶型)时，封严槽通道上下联通，气流将由上向下流动，因此i、iL、iR是该结构中最重要的参数。将封严片加宽，会使狭缝范围wi增加，导致流动阻力增加，增强封严作用。在封严片加宽过程中，如果封严槽两侧位置不变，则其封严片两端与封严槽的间隙w会减小，而w减小到一定程度也会产生节流效果。本文详细研究了i、wi、w变化对流动和泄漏特性的影响。同时，还考察了封严片周向移动对泄漏量的影响，及封严槽下缘板缝隙W2变化带来的节流效果。图2 平板封严片结构参数Fig.2 Parameters of plane seal封严片与封严槽存在缝
7、隙时，可以看作是一种节流元件。理论上，在相同的节流间隙条件下，节流位置越多，节流效果越好。如果能同时减少封严片与封严槽上下端面的间隙，则必然会达到更好的封严效果。采用刚性平板封严片来实现这一目的，会带来装配问题，并且当各结构件在工作中发生变形时，封严片的寿命和可靠性将受到较大的影响。为此，考虑采用U 型封严片对上端壁做进一步封严。由于存在弹性，其装配性和封严性能都可以大大加强。U型封严片参数如图3所示。图3 U型封严片结构参数Fig.3 Parameters of U-type seal在U 型封严片基础上，可考虑采用O 型封严片增加封严片与封严槽上端面的狭缝范围，进一步加强封严效果。O 型封
8、严片模型及参数如图4 所示。考虑到封严片上下存在压差，如果采用概念型结构，必须在封严片上端面打孔产生均压效果，以免上端面在压差作用下变形，导致上端面间隙ia增加，降低封严效果。由于整O 型封严片的刚性较大，不利于安装和使用，因此，在O 型封严片上端面打开缺口(改良型)，解决上述问题。图4 O型封严片结构参数Fig.4 Parameters of O-type seal上述各模型主要参数的基准值如表1所示。表1 模型主要参数基准值Table 1 The seal parameter base value3 数值计算方法以平板封严片模型为例介绍网格模型。如图5所示，计算网格采用单层六面体网格，在封
9、严槽及上下通道区域加密。壁面给定15 层边界层网格，以1.2增长比率自动匹配当地网格密度，第一层网格小于0.001 mm，确保在主要流动区域内y+1。图5 计算网格Fig.5 The computational grid采用有限体积法离散，全隐式技术求解定常RANS 方程。对流项采用二阶精度格式，湍流模型为Shear Stress Transport(SST)模型20-21，转捩模型为Gamma/Theta模型22，上述方法对流动和传热问题的计算具有很好的计算精度。气流自上向下流动，进口给定总温、总压；出口给定静压；壁面给定无滑移边界；前后面采用镜像面。涡轮导向器周向缝隙的压差变化较大，本文通
10、过调整进口总压，模拟了3 种压比状态下的流动情况。进出口边界条件如表2所示。表2 进出口边界条件Table 2 Boundary condition of inflow and outflow4 封严片流动特性分析4.1 平板封严片研究以i=0.10 mm模型的工况2计算结果为例，阐述存在间隙时平板封严片的流动机理。图6给出了悬空型封严缝结构内部流动情况。可见，上方来流进入相邻封严槽缝隙时加速到Ma0.2，随后冲击到封严片上方，贴封严片壁面沿两侧流动。气流进入封严片与封严槽下表面形成狭缝后，基本保持层流流动，在狭缝进口流速迅速增加，在向后流动过程中，总压逐渐降低，速度逐渐增加。在温度、通道尺寸
11、不变的情况下，为达到流量平衡，狭缝中的总压损失将导致气流速度上升。气流流出狭缝后，总压急剧下降。气流在出口的偏转是由小扰动引起的，对封严槽内部流动和泄漏量评估影响不大。图6 悬空型封严缝结构内部流动(i=0.10 mm，工况2)Fig.6 The flow structure of the dangling sealing structure图7给出了台阶型封严缝结构流场的马赫数云图和压力云图(iL=iR=0.10 mm，工况2)，台阶差Hs=0.33 mm。可看出，相邻封严槽出现台阶后，封严片与封严槽有两个搭接点。气流通道在左侧搭接点前逐渐收敛，气流逐渐加速，损失较小。气流在右侧搭接点前流速
12、较低，压力损失较小。右侧搭接点后呈扩张通道，搭接点左侧压力远低于出口压力，气流速度远高于悬空型狭缝出口速度。因此，当封严槽出现台阶时，会增加气体泄漏，封严效果降低。图7 台阶型封严缝结构内部流动(iL=iR=0.10 mm，Hs=0.33 mm，工况2)Fig.7 The flow structure of the step sealing structure考察了间隙i=iL=iR=0.05，0.10，0.20，0.30 mm4种情况下的泄漏特性。以进口折合流量评估泄漏量，进口折合流量按公式(1)计算。图8给出了悬空型封严缝结构的泄漏特性。由图可知，随着间隙的减小，泄漏量减小，且泄漏量减小速
13、率增加。可见，增加封严片与封严槽端面的配合度，减小间隙，对于封严至关重要。图8 悬空型封严缝结构泄漏特性Fig.8 The leakage characteristic of the dangling structure式中：为进口折合流量(K0.5kg)/(skPa)，G0为进口流量(kg/s)，为进口总压(kPa)，为进口总温(K)。图8 结果还表明，随着压比的增加，泄漏量增加，且泄漏量增加速率减小。这是由于随着压比的增加，狭缝中的马赫数逐渐增加，且流量函数增幅下降。采用取消封严片的泄漏量，将同等边界条件下带封严片的泄漏量进行相对化，获得相对泄漏量。平板封严片的相对泄漏量如图9所示，可看出
14、，悬空型封严缝结构在各压比下的相对泄漏量，随间隙的变化规律一致，间隙对泄漏量影响较大，i=0.05 mm 时，悬空型封严缝结构的泄漏量仅为无封严片时的10%，且比i=0.10 mm 时的相对泄漏量降低约20%。压比对相对泄漏量影响较小，且随着压比的降低，相对泄漏量略有下降。在狭缝间隙为0.30 mm 时，台阶型封严缝结构与悬空型封严缝结构的封严效果相当。随着间隙的减小，台阶型封严缝结构比悬空型封严缝结构的泄漏量大，且压比对台阶型封严缝结构的相对泄漏量影响减小。当i=iL=iR=0.05 mm 时，台阶型封严缝结构的泄漏量约为悬空型封严缝结构的2倍。图9 平板封严片相对泄漏量随狭缝间隙的变化Fi
15、g.9 The relative leakage of the plane seal with i图10 考察了wi=0.92，1.83，2.75，3.55 mm4 种情况下的泄漏特性。可看出，随wi的增大，泄漏量减小，且基本呈线性变化。不同压比下的梯度略有区别，3 组边界中，工况1 条件下的相对泄漏量随wi的变化最大，wi从0.92 mm 增加到3.55 mm，相对泄漏量下降约6.8%。图11为工况2条件下，不同wi取值的平板封严片马赫数云图。可看出，各模型的流动规律基本一致。随着狭缝宽度的增加，气流在狭缝中的加速性增加，说明其中压力损失逐渐增加，从而导致泄漏量下降。图10 平板封严片相对泄
16、漏量随狭缝范围的变化Fig.10 The relative leakage of the plane seal with wi图11 不同狭缝范围取值的平板封严片马赫数云图(工况2)Fig.11 The Mach Number counter of structures with different wi考虑到封严片在封严槽里可能存在串动，进一步研究了w变化的影响。该模型保持封严片宽度和封严槽结构尺寸不变，即可保持总的狭缝宽度wi不变。从图12可以看出，平板封严片相对泄漏量基本不随w变化。图13 给出了工况2 条件下，封严片偏离中心位置向右移动后的马赫数云图。可看出，狭缝宽度较大的一侧气流速度变化也较大。定量分析结果表明，狭缝宽度小的一侧流量大，大的一侧流量小，但
