航空发动机篦齿封严特性数值模拟

从图 3 中可以看出， 齿腔中的流动大体可分为 两个区：射流区和涡流区。 射流区分布在顶板下部， 流体以较高的速度射向下一个齿腔。涡流区，也就是 回流区，此区位于齿腔中部，流体的速度方向和大小 都发生了明显的变化。回流区的形成，是由于气流流 过齿隙后在射流区的速度较大， 经过齿腔时带动腔 内流体做旋涡运动所致。
图 3 主齿腔内速度矢量图 Fig.3 Velocity vector of first cavity in sealing labyrinth
3.1 计算模型的建立
其二维计算模型见图 2。 模型主要由 5 个直通
0.20
篦齿和 4 个齿腔组成，左端为进口，右端为出口。
0.15
T=20 mm B=200 mm
图 7 为 Re=40 000，T/C 分别为 2.0、1.0、0.5 时篦 齿 顶 板 局 部 换 热 系 数 （Hf）的 计 算 结 果 和 实 验 结 果 。 从 图中可以得出：首先，随着 T/C 的增大，换热系数明 显呈上升趋势。分析可知，当间隙减小时齿腔中气流 速度增大，加强了气流与篦齿顶板的换热，同时也使 流体得到了更多的热量而受热膨胀， 加大了流体内 部摩擦，使流体间的质量交换增加，从而提高了篦齿 的密封性能，减少了泄漏。 其次，顶板的换热系数从 前到后逐渐下降， 而且随着 T/C 的增大下降趋势越 发明显。 计算结果与实验结果相比， 其变化规律一 致，数据吻合基本较好。 T/C 较大时误差相对较大的 原 因 主 要 是 k－ε 湍 流 模 型 在 模 拟 腔 室 流 动 时 有 一 定的缺陷， 但不影响本文计算结果在实际篦齿设计 和分析中的应用性。 4.3 雷诺数对篦齿腔流动和换热的影响
1 引言
在现代航空动力装置中， 封严篦齿作为重要的 密封元件得到了非常广泛的应用， 其密封性能也极 大地影响着发动机性能的发挥[1]。 目前，已有不少学 者从静态旋转、 热边界以及结构等角度研究了封严 篦齿的密封机理[1～6]。
本文将数值计算和实验研究相结合，从雷诺数、 齿顶宽与齿隙之比影响篦齿腔内流动状态和篦齿顶 板换热的角度， 对齿腔中流动规律和特点以及篦齿 齿腔换热特性进行了深入的探讨和研究， 通过多种
采用标准 RNG k－ε 湍流模型、非结构化网格和 SIMPLE 算法来模拟篦齿腔内流动及换热特性。
计算中解的收敛判断标准：变量残余小于 1×10-4， 进出口流量不平衡率控制在 0.5%。
以雷诺数和 T/C 的变化作为模拟工况来进行篦 齿内部流动的速度场、压力场、压降损失及换热系数 的计算。 其中雷诺数定义为：
different T/C
第 23 卷
燃气涡轮试验与研究
29
0
0.20
-400
0.20
p/Pa
-800
-1200 -1600
T/C=0.5 T/C=1.0 T/C=1.3 T/C=2.0 Re=40 000
1
2
3
4
5
X
图 6 不同T/C 下篦齿的压降图
Fig.6 Pressure loss in five positions of sealing labyrinth with
Abstract： In order to investigate the performance of the straight sealing labyrinth at static state in aeroengine, model of straight sealing labyrinth was established and applied to compute the flow characteristics and heat transfer in the straight sealing labyrinth. With the result of numerical simulation, the effect of Reynolds numbers and T/C on flow field, pressure lost, coefficient of heat transfer was studied. By comparing some group results of numerical simulation and experiments data, it is found the numerical results are in agreement with experimental data and the error can be acceptable. The results show that the Reynolds number and T/C affect the flow characteristics and heat transfer in the straight sealing labyrinth and thus are important factors in deciding the sealing performance of straight labyrinth. Key words： aero-engine；straight sealing labyrinth；Reynolds number；heat transfer coefficient
Re=40 000 C=20 mm V
0.45 0.50
y/m
0.20
0.15
y/m
0.10
0.05
Re=40 000
C=40 mm
0
V
0.35 0.40 0.45 0.50
x/m
图 5 不同T/C 下主齿腔中速度等值线图
Fig.5 Velocity contours of first cavity in sealing labyrinth with
工况的计算与分析， 得到了雷诺数和齿顶宽与齿隙 之比对篦齿封严性能影响的规律， 并得出几点具有 工程价值的结论。
2 实验装置与测量方法介绍
此次实验在吸气式风洞中完成， 整个实验装置 分为进口段、均匀段、实验段、恢复段和收缩段 5 个 部分。 其中实验段示意图如图 1 所示： 由尺寸放大 30 倍的 5 个直通齿和 4 个齿腔组成。齿高 H 为 200 mm，齿距 B 为 200 mm，齿 顶 宽 T 为 20 mm，齿 隙 C
0.15
y/m
实验中采用圆柱三孔针旋转法来测量流场中的 压力，通过测量的总压、静压、速度偏转角计算 x 方 向和 y 方向的速度分量。
在进行篦齿腔顶板换热实验时， 将篦齿封严顶 板覆盖加热带， 通电使其表面形成等热流密度的边 界条件。
3 数值计算模型与方法
0.10
0.05
0 0.35 0.40 0.45 0.50 x/m
y/m
0.10
H=200 mm C
图 2 二维模型示意图 Fig.2 Sketch of 2D model
3.2 计算边界条件及计算方法 进出口边界条件： 采用压力进口和压力出口条
件，进出口总温取 300 K。 固体壁面：采用标准壁面函数处理。在腔内流场
模拟时壁面设为绝热条件， 在换热模拟时取模型上 壁面部分为热边界条件。
第 23 卷 第 1 期
26
2010 年 2 月
燃气涡轮试验与研究 Gas Turbine Experiment and Research
Vol.23,No.1 Feb.,2010
航空发动机篦齿封严特性数值模拟
赵海刚 1， 刘振侠 2
(1. 中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089； 2. 西北工业大学 动力与能源学院，陕西 西安 710072)
0.20
y/m
y/m
0.15
0.10
0.05 0
0.20
0.35
0.40 x/m
Re=40 000 C=10 mm V
0.45 0.50
0.15
0.10
0.05 0
0.35
0.40 x/m
Re=40 000 C=15 mm V
0.45 0.50
0.20
0.15
0.10
0.05 0
0.35
0.40 x/m
4 计算结果与分析
4.1 典型工况下篦齿腔 mm)工况
下模拟的流场分布最具代表性。 图 3、图 4 分别为这 一工况下主齿腔(第一齿腔，下同)内的速度矢量图 和压力等值线图(压力单位为 Pa)。
12 mm 0.20
图 1 实验段直通篦齿分布图 Fig.1 Location of straight labyrinth in experiment section
取 T/C=1.0(C=20 mm)，Re 分别为 40 000、30 000、 20 000、15 000 的工况， 来模拟篦齿主齿腔的流动和 换热。
图 8 为不同雷诺数下篦齿主齿腔中的速度等值 线图。 从图中曲线分布可以看出，在相同 T/C 下，随 着雷诺数的减小，射流区的速度明显减小;同时，由 于射流区对于涡流区引射作用的减弱， 导致涡流区 的转速减小，速度等值线分布紊乱程度增加。由分析 可知， 齿腔内流动能力的减弱降低了流体在腔中的 流动损失，不利于整个篦齿的封严节流。
Numerical Analyses for the Performance of Straight Labyrinth Seal of Aircraft Engine
ZHAO Hai-gang1， LIU Zhen-xia2
(1. Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China；2. College of Power and Energy， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China)
图 6 为不同 T/C 下封严篦齿压降的变化情况(X 轴的 1、2、3、4、5 点分别表示 5 个篦齿齿顶的中心位 置，图 9 同)。 从图中可以发现，在相同的雷诺数下， 随着 T/C 的增大(即密封间隙减小)，封严篦齿压降明 显增大，说明篦齿的节流封严效果在增强；前两个齿 腔的压降在整个篦齿段压降中占有很大的比例，对 节流封严起主要作用。