篦齒結(jié)構(gòu)對封嚴性能的影響

1、第 1 3 卷 第 3 3 期 2 0 1 3 年 1 1 月1 6 7 1 — 1 8 1 5 ( 2 0 1 3 ) 3 3 — 1 0 0 6 9 — 0 5科 學 技 術 與 工 程 S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dEn g i n e e r i n gVo 1 ． 1 3N0 ． 3 3No v ．2 0 1 3@ 2 0 1 3S c i ． T e c h ． E n g r g

2、 ．篦齒結(jié)構(gòu)對封嚴性能的影響 楊淋麟 張 麗 朱惠人 ( 西北工業(yè)大學動力與能源學院 ， 西安 7 1 0 0 7 2 )摘 要 基 于數(shù)值模擬方法建立 二維 篦齒模 型。通過多種 工況 的計算 ， 從分 析齒腔 內(nèi)流場研 究不 同齒頂邊 緣 以及 齒頂?shù)菇前霃酱笮∽兓瘜Ψ鈬捞匦缘挠绊懀?并通過分別改變篦齒前后邊傾斜角度 ， 確定篦齒最佳傾斜度。將計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行 比較 ， 發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律 一致， 誤差較小 。研 究表 明： 齒頂?shù)?/p>

3、角半徑是 影響篦齒封嚴效果 的重要 因素。倒角半徑 小于 0 ． 0 7m m 時，增大 0 ． 0 2m m， 泄漏系數(shù)增大 2 ％ ； 倒角半徑 大于 0 ． 0 7m m 時， 每增大 0 ． 0 2m m， 泄漏 系數(shù) 增大 I ％左 右。 當篦齒 前傾角為 2 0 。左右 ， 后傾角為 3 5 。 ～ 4 0 。 時為篦齒最佳 傾斜度 ， 且 后傾角對篦齒封嚴 的影 響大 于前傾 角。關鍵詞 封嚴特 性篦齒結(jié)構(gòu) 齒頂?shù)?角半

4、徑最佳傾斜度 中圖法分類號 V 2 3 1 ． 3 ；文獻標志碼 A封嚴篦齒是包 括航空發(fā)動機在 內(nèi)的各種 旋轉(zhuǎn) 機械 中的重要密封元件 ， 對其進行深入 的研究具有 重要的意義并可取得 明顯 的經(jīng)濟效 益。它利用通 道的突擴和突縮來增 加流 阻， 消耗能量 ， 有效 減少 了不必要 的泄漏 ， 控制軸 承負擔 ， 保 持各腔 室的工 作壓力。國內(nèi)外很多學 者對影 響直 通型篦齒 封嚴 特性的因素做了大量 的實驗和數(shù)值研 究。對 影響

5、直通篦齒封嚴特性的因素 的研究大多集 中在齒數(shù) 、密封間隙、 前后腔壓 比、 齒腔形狀等 ¨J ， 文獻 [ 6 ]對篦齒封嚴性能影 響較大 的因素 ， 提 出篦齒齒頂迎 風處的倒角半徑對 封嚴性能影 響甚 至大于齒 高齒 寬的影響。王鎖 芳等 選用 了 4種 篦齒傾斜 角度 進行數(shù)值模 擬 ， 發(fā) 現(xiàn) 當篦齒 朝氣 流傾 斜一 定角 度 時 ， 有利于封嚴 ， 認為考 慮工藝性 以及封嚴效果 的綜合因素 ， 傾角選擇在 6

6、0 。 左右較為合理 。本文采用商 業(yè)計算 軟件對篦齒 內(nèi)部流場進 行 數(shù)值模擬 ， 通過改 變篦齒齒頂?shù)?角半徑 大小 ， 分 析 倒角半徑對篦齒封嚴特性 的影響 ； 并且分別對篦齒 的前傾角 ( 即篦齒前 邊與豎直方向的夾角) 和后傾 角進行微小的改變 ， 在前人研究基礎上進一步確定 2 0 1 3 年 6 月 2 8日收到 ， 8 月 2日修改 第一作者簡介 ： 楊淋麟 ( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 重慶 人 ， 碩士研

7、 究生 。研 究方 向 ： 航 空 發(fā) 動 機 熱 端 部 件 的 流 動 與 換 熱。 E — m a i l ： 9 3 4 1 9 2 8 5 @q q· c o i n。篦齒傾斜最佳角度。1 計算方法 計算用的模型如 圖 1 所示 ， 影 響篦齒封嚴特性 的參數(shù) ， 主要有節(jié)流間隙 s = 0 ． 2m m， 齒數(shù) = 5 ， 齒 腔寬度 B= 4m m， 齒腔深度 H= 4m m， 齒間厚度 t =0 ． 4m m，

8、 齒頂?shù)菇?尺 ， 篦齒前邊傾斜 角度 ， 后邊傾 斜角度 o d ， 前后邊夾角 ， 封嚴長度 L= 2 2m m。由于 模型中存在較小尺度 ， 對 網(wǎng)格劃分和計算條件提出更高的要求 ， 為 了保 證 網(wǎng)格 的質(zhì)量 ， 采用非結(jié)構(gòu) 化 三角形 網(wǎng)格對計算模型進行 網(wǎng)格劃分 ， 齒尖處間隙 較小 ， 為更準確模擬 齒尖處 的流動狀 況 ， 需要 足夠 多 的網(wǎng)格數(shù) ， 因此對 齒尖附近 網(wǎng)格進 行加密 ， 且 在 壁面上布置 6 層邊界

9、層網(wǎng)格 ， 采用 1 ． 2 系數(shù) 的比例 。如圖2所示 。圖 1計算模 型及 幾何 參數(shù) 近年來 ， 篦齒封嚴特性的計算模型主要 以雙方 程 k ．模型為 主， 計 算采用標準 一模型 ， 計算 3 3 期 楊 淋麟 ， 等 ： 篦齒結(jié)構(gòu)對封嚴性能 的影 響R= 0m m 0 ． 0 5mm 圖 5 齒頂處 放大圖 中可以更清晰地看 出氣體在流進節(jié) 流間 隙時的流 動狀況 。如 圖所 示 ， 在齒頂?shù)菇翘?， 隨著倒角 的半 徑

10、增大 ， 節(jié)流 間隙迎風面積增 大， 節(jié) 流效果進一 步 減弱 ， 更多 的流體 可以從 間隙流 出齒腔 ， 射流 區(qū)流 體的高速流動對齒腔 內(nèi)的氣流存 在引射效應 ， 加速 腔 內(nèi)氣流的流出 ， 泄漏量增大。圖 6 不 l 司倒 角半 徑的速度分布 圖 7 所示為不 同倒角半徑下 ， 泄漏系數(shù)隨進 出口壓 比增大 的變化 。從 圖中可 以看 出倒 角半徑變 化對泄漏系數(shù) 的影響 ， 隨著齒頂?shù)?角半徑 的增 大 ，泄漏系數(shù)也逐漸 增大

11、 ， 這 是 由于 ， 增大齒頂 倒角半 徑 ， 節(jié)流間隙迎 風面積增 大， 最直 接 的影 響是減小 間隙處的進 口處局部損失 ， 篦齒節(jié) 流耗 能的效果減 弱 ， 使得更 多的氣流從射 流區(qū)高速通 過 ， 泄漏 量增 大 ， 封嚴性能變差 。由圖 7 可知 ， 倒角半徑從 0 ． 0 5m m增大到 0 ． 0 7m r n 時對應泄漏系數(shù) 的增大量為 1 ． 9 1 ％ ， 明顯高于 0 ． 0 8m m 變 為 0 ． 1m m

12、 時 泄 漏 系 數(shù) 增 大 量 為 1 ． 0 6 ％， 0 ． 1m m 變 為 0 ． 1 2m m 時 的 增 大 量 為 1 ． 0 7 ％ 。這說明倒角半 徑較小 時， 倒 角半徑 的變化 對泄漏系數(shù)的影 響更 大 ， 因為齒 頂?shù)?角較小時 ， 增 大半徑 ， 齒頂節(jié)流效應減弱趨勢較大。2 ． 3 傾斜度的影響 在固定篦齒前后邊夾角 ／ 3 = 1 5 。 的情況下 ， 對篦 齒后傾角分別為 0 。 ( 即直齒 ) 、 3

13、 O 。 和 4 5 。 三種結(jié)構(gòu)篦 00 2 0籟 贍 0O1 5進 出口壓 比 圖 7 倒角半徑對泄漏 系數(shù) 的影 響齒進行數(shù)值模 擬。圖 7為篦齒后傾 斜角度分別 為 0 。 、 3 0 。 和4 5 。 時對應的泄漏系數(shù)隨壓 比的變化情況。圖 8 傾斜 角度 對泄漏系數(shù)的影響 如圖 8 所示 ， 直齒 O t = 0 。 對應值 明顯大于篦齒 傾斜角度為 O ／ = 3 0 。 和 4 5 。 對應 的泄漏系數(shù) ， 這是 因為篦

14、齒面的傾斜使 得處于擴散狀態(tài) 的射 流在撞擊 到下游的齒面 時， 會順勢沿 著傾 斜齒 面流進齒腔 ，相較于直齒 ， 有更 多 的流體進入 齒腔 ， 齒腔 內(nèi)的旋 渦得到充分發(fā)展 ， 渦流強度有所增加 、 湍流度增大 ，與射流區(qū)流體相互作用 ， 使得射流與齒 腔中的渦流 質(zhì)量 、 能量交換增大 ， 消耗流體動能， 增大了流動阻 力 ； 另外 ， 當篦齒傾斜時 ， 齒腔 中流體與壁 面的接觸 面積增大 ， 因此摩擦消耗的能量更多 。說明增