直通式篦齿封严特性的实验研究

6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
图 7 转速对泄漏系数的影响
4 结论
本文通过实验研究了真实尺寸下篦齿的泄漏特性，并分析了齿数、间隙以及转速对泄漏 系数的影响，主要有以下几点结论：
1）在实验范围内，篦齿泄漏系数均随雷诺数的增加而增大； 2）在实验范围内，泄漏系数随齿数的增加而降低； 3）在实验范围内，同一雷诺数下，间隙越大，泄漏系数越小； 4）在实验范围内，同一雷诺数下，小间隙（s=0.4、0.5）时，转速对泄漏系数的影响不大；间 隙为 s=0.6 时，有无转速对泄漏系数有明显区别，但各转速间的泄漏系数基本一致。
直齿
N=3 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷 诺 数 Re
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=4 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷 诺 数 Re
工况泄漏系数明显偏大，封严效果最差；N=3、4 的工况泄漏系数基本一致，封严效果居于中 间地位；N=5 的工况泄漏系数明显偏小，封严效果相对最好。这是由于齿数越多，齿槽空腔 的数目越多，而从篦齿盘进口泄漏出去的气体大部分在每个齿槽空腔内旋转一周后才进入下 一个齿槽空腔内，齿槽数目的增加实际上造成了泄漏出去的气体沿程阻力明显增大，流程明 显增长，因而产生的泄漏就相对较小，即封严效果就相对要好一些。
/A D⋅s
，其中：
D
为由篦齿盘体外径测量的平均值。
篦齿封严结构中,以篦齿的泄漏系数作为评价其密封效果优劣的主要依据，为使实验数据
能推广应用于压力、温度与实验值不同的工况，本文将实验结果整理成泄漏系数ϕ 与雷诺数 的关系。篦齿泄漏特性采用泄漏系数ϕ 定义为：
ϕ = m& r Ti* / (Pi* ⋅ A)
3000 6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
3.2 间隙的影响
图 5 齿数对泄漏系数的影响
泄漏系数φ 泄漏系数φ
0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
0
直齿
s=0.6 n= 0 N=2 N=3 N=4 N=5
3000 6000 9000 雷 诺 数 Re
s = D静环内径 − D篦齿盘外径 ；
ρ ——篦齿盘进口处的气流密度；
μ ——空气的动力粘性系数。
在实验过程中，篦齿盘进口处的平均流速V 通过流量计测得到并修正后的体积流量 Qv 和 入口处的篦齿盘体和静环之间的间隙截面积 A 计算得出。V 和 A 的具体表达式如下：
⎧V
⎨ ⎩
A
= =
Qv π⋅
0
直齿
N=5 s=0.5 n= 0 n=1000 n=2000 n=3000 n=4000 n=5000
3000 6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
0.025
0.020
0.015 0.010 0.005 0.000
0
3000
直齿
N=5 s=0.6 n= 0 n=1000 n=2000 n=3000 n=4000 n=5000
3000 6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
泄漏系数 φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=3 s=0.6 n= 0 n=2000 n=4000
3000 6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
泄漏系数 φ
0.025
0.020
高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集
编号：A-100016
直通式篦齿封严特性的实验研究
张霞，朱惠人，张效伟，马会强
（西北工业大学 动力与能源学院，西安 710072） （联系电话：15191436378 ，E－mail：zhangxia810@）
摘 要： 直通式篦齿在航空发动机中应用广泛，但对它的研究还是不够透彻，本文通过实验对真实尺寸下篦齿的
1 引言
篦齿封严作为广泛使用的一种非接触式封严结构，一方面可以减少工作流体泄漏带来的 压力能、热能等能量损失从而提高涡轮效率，另一方面可以提高涡轮这一热端部件的可靠性 及耐久性，保证发动机的结构的完整性。国内外学者对其密封机理及影响规律作了大量研究[1]。 上世纪初，Martin，Egli，Vermes等人从机理上对篦齿封严做了阐述，最早提出了泄漏流量的 计算方法[2-4]。此后，国内外的研究者通过实验和数值模拟的方法，研究了封严间隙与篦齿几 何参数（包括齿尖厚度比、封严间隙与节距比、齿数、蜂窝结构、齿尖倒角半径、齿腔深度、 齿高、封严环磨损槽等）和转速等对泄漏量的影响。在众多类型的篦齿封严中，直通式篦齿 最原始，密封效果较差，但由于其结构简单，易于加工，至今仍在广泛使用。国内对直通式 篦齿密封进行了大量的研究，王锁芳进行了直通型篦齿转、静态下流量特性的实验研究，结 果表明在实验转速范围内，转速对直通型篦齿泄漏量影响很小[5]；吴丁毅也通过大量的实验系 统地研究了直通篦齿结构的泄漏特性[6]。本文采用实验的方法，测量直通式直齿在多种几何参 数组合下泄漏量随雷诺数的变化情况，分析了间隙、齿数和转速对封严特性的影响，研究结 果可以为空气系统计算提供依据，同时也为设计计算方法的校核提供数据。
图 1 篦齿封严实验系统示意图
图 2 篦齿实验台实物图
2.2 实验原理
图 3 实验件实物图
实验对雷诺数 Re 进行如下定义：
图 4 静环实物图
Re = ρVd μ
（1）
其中：V ——计算得到的篦齿盘进口处的平均流速；
d ——由篦齿盘体和静环之间的间隙 s 计算得到的测量平均值得到的水力间隙直径，
−
−
2 实验装置与实验原理
2.1 实验装置
图 1、图 2 为实验系统示意图和实物图，由供气系统（过滤、减压）、流量测量系统和压 力测量系统以及电动系统组成，主要包括油泵及供油箱、空气压缩机、过滤器、减压器、调 压器、玻璃转子流量计以及压力扫描阀等。实验中，来自空气压缩机的压缩空气，经过滤器、 减压器、调压器和流量计进入进气腔，然后通过小孔排入大气。系统采用不同量程的转子流 量计的并联方式，各流量计后均有阀门控制流量。流量计前均有减压阀，减压阀能有效的过 滤气流波动，提供稳定的气源。图 3 为实验件实物图，图 4 为静环实物图。
这种现象的主要原因如下：
由于理想状态方程可得：
•
mr = ρi ⋅ vi ⋅ A = [Pi / (Rg ⋅Ti )]⋅ vi ⋅ A
带入式（2）中可得：
（4）
•
φ = mr Ti* /(Pi* ⋅ A) = vi （/ Rg ⋅ Ti）
（5）
可见，在总温相差不大的情况下，泄漏系数仅与流速有关，而流速又是雷诺数的主要影 响因素，因此，同一雷诺数下，篦齿盘的间隙越大，流速就越小，泄漏系数也就越小。
（2）
其中： m& r 为由间隙泄漏出去的气体的实际质量流量， Pi* 、Ti* 为篦齿盘进口处气流的总
压和总温。
3 实验结果及分析
在实验中主要研究了雷诺数、齿数、间隙以及转速对封严性能的影响。气流流经篦齿缝
隙时，由于每个齿都存在节流现象，所以齿间空腔内存在滞留损失、出口处存在突扩损失，
这些损失导致经篦齿盘泄漏出去的气体的实际质量流量远远小于无损失存在下的理论质量流
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=5 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷 诺 数 Re
图 6 间隙对泄漏系数的影响
图 6 给出了间隙对泄漏系数的影响情况，由图 6 可以看出，在不同实验工况下，泄漏系 数随雷诺数的增加而增大。此外，在较大雷诺数变化范围内，间隙 s=0.4 的工况泄漏系数较 s=0.5、0.6 的工况明显偏大，封严效果最差。对于齿数 N=2、3 和 4 的工况，s=0.6 的工况泄漏 系数较 s=0.5 的工况大部分都有比较明显的减小，封严效果相对最好；而对于 N=5 的工况，s=0.6 的工况泄漏系数大部分与 s=0.5 的工况有一定交错。
3.3 转速的影响
图 7 是转速对泄漏系数的影响情况，由图 7 可以很明显地看出：在不同实验工况下，泄 漏系数随雷诺数的增加而增大。此外，在较大雷诺数变化范围内，间隙 s=0.6 的各个转速工况 下，零转速的封严效果最差，其他转速下的泄漏系数与零转速有明显区别，但各转速间的泄 漏系数相差不大，整体的封严效果较零转速要好，而 s=0.4、0.5 的各个转速工况（包括零转速） 基本一致，这与文献[6]中的研究结果非常相似。出现这种现象的主要原因是：泄漏气流流动 状态的改变程度。众所周知，篦齿盘静止时泄漏气流的流动状态相对稳定，由文献[7]可知， 进入齿腔的气流速度开始减小，在齿腔中部达到最小并形成涡心，当转速逐渐增加时，篦齿 盘的转动必然会对泄漏气流的稳定流动产生扰动，主要会对齿腔内的旋涡状态产生影响，比 如涡心位置的移动和旋涡由稳定状态向非稳定状态的转变等，小间隙（s=0.4、0.5）下产生的 扰动不足以影响到旋涡的稳定状态，所以转速对泄漏系数的影响几乎可以忽略不计，但对于 间隙 s=0.6 的工况，间隙的增大导致流进空腔的气流量明显增加，其产生的扰动对初始形成的 旋涡造成了很大的影响，致使篦齿空腔内的流动状态相对于静止状态发生了本质变化，该变 化一旦完成，就达到了稳定状态，再增加转速，也仅仅是流动状态量的差别，这也就是大间 隙时零转速下的泄漏系数和有转速下的泄漏系数有明显区别，但各转速间泄漏系数几乎不变 的原因。
泄漏特性进行了研究，分析了齿数、间隙以及转速的影响。结果表明：1）在实验范围内，篦齿泄漏系数均随 雷诺数的增加而增大；2）泄漏系数随齿数的增加而降低；3）同一雷诺数下，间隙越大，泄漏系数越小；4） 小间隙（s=0.4、0.5）时，转速对泄漏系数的影响不大；间隙为 s=0.6 时，有无转速对泄漏系数有明显区别， 但各转速间的泄漏系数基本一致。 关键词：航空发动机，篦齿，泄漏系数，旋转
参 考 文 献：
[1] 塔鲁达纳夫斯基，非接触密封[M].北京：机械工业出版社，1986: 155-160. [2] Martin H.M. Labyrinth Packings[J]. Engineering, 1908, 85: 33-36. [3] Egli A. The Leakage of Steam through Labyrinth Seals[J]. Transactions of the ASME, 1935, 57:
泄漏系数φ

0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=3 s=0.4 n= 0 n=2000 n=4000
3000 6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=3 s=0.5 n= 0 n=2000 n=4000
12000
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=2 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷 诺 数 Re
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
量，所以泄漏系数总是远远小于 1。由于实际测量得到的篦齿盘外环直径和静环内表面直径的
−
−
误差都在 3%左右，而间隙 s = D静环内径 − D篦齿盘外径 ，所以实验结果都用 3%进行了统一修正。
3.1 齿数的影响
图 5 给出了齿数对泄漏系数的影响情况，可以看出，相同间隙下，随着齿数 N 的增加，
泄漏系数ϕ 减小，这是篦齿的多次节流产生的效果。在较大雷诺数变化范围内，齿数 N=2 的
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010 0.005 0.000
0
直齿
s=0.4 n= 0 N=2 N=3 N=4 N=5
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷 诺 数 Re
0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
0
直齿
s=0.5 n= 0 N=2 N=3 N=4 N=5
0.015 0.010 0.005 0.000
0
直齿
N=5 s=0.4 n= 0 n=1000 n=2000 n=3000 n=4000 n=5000
3000 6000 9000 12000 15000 雷 诺 数 Re
泄漏系数 φ 泄露系数 φ
0.025
0.020
0.015 0.010 0.005 0.000