苗海豐 項潔瓊

摘要：在某型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計過程中，針對一級透平轉(zhuǎn)子前封嚴(yán)篦齒泄漏量過大使滑油腔封嚴(yán)前溫度水平升高的問題，采用了正交試驗方法對臺階封嚴(yán)篦齒進(jìn)行設(shè)計。選取了臺階篦齒的5個典型幾何參數(shù)，通過二維數(shù)值模擬對其流動特性開展了分析，獲得了各參數(shù)對臺階篦齒泄漏量影響程度排序。

Abstract： In the design process of a gas turbine， in order to solve the problem that the leakage of the front sealing labyrinth of the first stage turbine rotor causes the temperature level of the lubricating oil chamber to rise before sealing， the orthogonal test method is used to design the step sealing labyrinth. Five typical geometric parameters of step labyrinth were selected to analyze its flow characteristics through two-dimensional numerical simulation， and the influence degree of each parameter on the leakage of step labyrinth was obtained.

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);正交試驗;臺階篦齒;泄漏量

中圖分類號：TG306? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0089-03

0? 引言

隨著現(xiàn)代社會對高性能燃?xì)廨啓C(jī)的追求，燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的壓比及溫度水平不斷升高，空氣系統(tǒng)中轉(zhuǎn)靜件之間封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的泄漏問題日趨嚴(yán)重。過多的泄漏量會造成燃?xì)廨啓C(jī)效率下降，造成無必要的能源浪費，因此高性能封嚴(yán)結(jié)構(gòu)越來越受到人們的重視[1-2]。篦齒封嚴(yán)作為燃?xì)廨啓C(jī)中典型的非接觸密封結(jié)構(gòu)，因其壽命長、耐高溫的特點而被工程師們在設(shè)計過程中廣泛采用。

某燃?xì)廨啓C(jī)一級透平轉(zhuǎn)子盤前腔采用臺階篦齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行封嚴(yán)，由于該腔二次流引自壓氣機(jī)出口，溫度較高，當(dāng)篦齒泄漏量偏大時會導(dǎo)致下游的滑油腔封嚴(yán)前溫度升高，增加滑油系統(tǒng)的設(shè)計難度，如圖1所示。針對該問題，采用正交實驗法，在不考慮轉(zhuǎn)速、齒數(shù)和傾角的條件下設(shè)計了不同齒形的臺階篦齒，并采用數(shù)值仿真方法研究了臺階高度、封嚴(yán)間隙、齒寬、齒距、齒高對臺階篦齒泄漏特性的影響規(guī)律。

1? 臺階篦齒模型

正交試驗方法是在科學(xué)研究過程中面對多因素試驗常用的試驗設(shè)計方法[3-4]，通過科學(xué)安排各因素進(jìn)行組合，能夠有效減少試驗次數(shù)，節(jié)省試驗成本。本文采用正交試驗方法，針對臺階篦齒的臺階高度H、封嚴(yán)間隙s、齒距B、齒寬t、齒高h(yuǎn)共5個尺寸參數(shù)，選取L16（45）正交試驗表，設(shè)計了16組不同齒形的臺階篦齒。圖2為臺階篦齒結(jié)構(gòu)示意圖，表1為各因素水平表。

2? 數(shù)值計算

針對典型臺階篦齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和網(wǎng)格劃分，建模時為避免篦齒進(jìn)出口面積變化產(chǎn)生的局部損失影響，在進(jìn)出口兩側(cè)設(shè)置了合理的穩(wěn)流段。對流體模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，近壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，底層網(wǎng)格厚度不超過0.02mm，圖3為計算域網(wǎng)格分布圖。

本文采用商業(yè)軟件Fluent對計算模型進(jìn)行仿真分析，其中湍流模型為k-w SST，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，收斂依據(jù)為殘差降至10-5以下。計算流體類型為理想氣體，入口邊界選取壓力入口，總壓253312.5Pa，總溫300K，出口邊界采取壓力出口，給定靜壓101325Pa，其余邊界為絕熱壁面。

3? 結(jié)果與分析

3.1 臺階篦齒典型流動特征

圖4給出了臺階篦齒齒腔內(nèi)的流線圖。可以看出，齒腔內(nèi)的氣流呈雙渦旋結(jié)構(gòu)，而且比較明顯的是兩個渦的尺度與臺階和齒腔特征有直接關(guān)系。氣流由齒頂間隙射流而出，高速射流直接撞擊臺階端面并耗散能量后，部分氣流在臺階處發(fā)生轉(zhuǎn)折形成一個順時針的渦旋，該渦旋尺度與臺階高度相當(dāng);部分氣流進(jìn)入齒腔下半部分，與前齒后端面碰撞后發(fā)生轉(zhuǎn)折，形成一個逆時針的渦旋，尺度與篦齒左側(cè)端面高度相當(dāng)。兩個渦旋方向相反，在兩個渦之間形成強(qiáng)對流剪切層，增大了能量耗散，有利于增強(qiáng)篦齒封嚴(yán)效果。此外可以看到，在齒腔轉(zhuǎn)角處有4個尺度較小的渦旋存在，相對直通齒而言，小尺度渦旋數(shù)量的增加也增加了篦齒的封嚴(yán)效果。

3.2 泄漏量的直觀分析

以直觀分析法對篦齒的泄漏特性進(jìn)行分析，表2為16個正交試驗方案以及直觀分析結(jié)果。直觀分析法是通過計算各因素所有水平下的平均泄漏量K對各因素的影響效果進(jìn)行評估，K的定義見下式：

其中x為任意因素，i為因素的水平值，見表1。y為x因素第i水平的篦齒泄漏量，K為x因素第i水平的泄漏量平均值，n為水平數(shù)，本文中n為4。

圖5為各因素水平變化對泄漏量的影響曲線，從圖中可以看出齒形參數(shù)對泄漏量的影響情況：①隨著H的增大，泄流量有所減小，隨后基本保持不變。這是由于隨著H的增大，齒間高速射流與臺階端面發(fā)生直接撞擊的面積增大，導(dǎo)致整個齒腔內(nèi)的耗散增大，篦齒封嚴(yán)能力提高。當(dāng)H增大至一定高度后，射流直接撞擊面積便不再增長，此后泄漏量基本保持不變;②隨著s的增大，泄漏量基本呈線性增大，這是因為隨著s的增大，間隙流通面積增大，節(jié)流效應(yīng)減弱，使篦齒的封嚴(yán)能力下降;③隨著B的增大，泄漏量基本呈線性增大趨勢。分析認(rèn)為B的增大在一定程度上可以增大齒腔內(nèi)氣流的回流面積，使氣流耗散增大，但另一方面來看，B增大后齒間射流出口與臺階端面之間的距離也隨之增大，射流可以充分?jǐn)U散從而直接撞擊臺階端面產(chǎn)生的耗散逐漸減弱，使篦齒的流通能力逐漸增強(qiáng)，結(jié)合兩方面來看最終使篦齒的泄漏量升高;④隨著t的增加，開始時泄漏量略有減小，隨后泄漏量有所上升。這是由于當(dāng)t較小時，隨著t的增加，氣流在齒間端面會形成一個小的分離渦，間隙處的氣動截面減小，使泄漏量減小;當(dāng)t增大至一定寬度后，氣流經(jīng)齒間節(jié)流后進(jìn)入齒腔的射流角有所減小，透氣效應(yīng)增大，齒腔內(nèi)的強(qiáng)剪切層耗散減弱，使得篦齒的流通能力增加;⑤隨著h的增加，篦齒的泄漏量呈先減小后增大的趨勢，但總體來看變化不大。推測是齒腔內(nèi)的渦流結(jié)構(gòu)對齒高變化的敏感度不高，因此對渦流強(qiáng)度及其耗散效果產(chǎn)生的影響不大。

表2中R為因素的極差，R可以反映研究范圍內(nèi)因素變化對泄漏量的影響程度。R定義為該因素K最大值與最小值之差，即

可以看出，各因素的R值是有差別的，R值越大則在研究范圍內(nèi)該因素變化對泄漏量的影響越大，從表2可以看出，R（s）>R（B）>R（H）>R（t）>R（h），即各因素的影響程度排序為：s>B>H>t>h，s的影響效果最明顯，B、H次之，t、h影響不明顯。因此在臺階篦齒設(shè)計時可按s=0.15～0.2mm，B=3～4mm，H=1.5～2mm，t=0.2～0.4mm，h=5～6mm進(jìn)行設(shè)計。

4? 結(jié)論

本文以正交試驗方法對某型燃機(jī)第一級透平轉(zhuǎn)子前封嚴(yán)篦齒的流動特性進(jìn)行了研究，獲得了不同齒形參數(shù)對泄漏量的影響。①s對篦齒泄漏量影響非常顯著，隨著s的增大泄漏量呈線性增大;B對泄漏量影響效果一般，泄漏量隨B的增大呈逐漸上升趨勢;H、t、h對篦齒泄漏量影響則不明顯;②根據(jù)正交直觀分析情況，本文中燃機(jī)一級透平轉(zhuǎn)子前腔封嚴(yán)臺階篦齒齒形可取s=0.2mm，B=3mm，H=1.5mm，t=0.3mm，h=5mm進(jìn)行設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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