蜂窩密封泄漏特性理論與實驗

孫丹， 王猛飛， 艾延廷， 肖忠會， 孟繼綱， 李云

1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室， 沈陽 110136

2.沈陽鼓風機集團股份有限公司， 沈陽 110142

蜂窩密封泄漏特性理論與實驗

孫丹1,*， 王猛飛1， 艾延廷1， 肖忠會2， 孟繼綱2， 李云2

1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室， 沈陽 110136

2.沈陽鼓風機集團股份有限公司， 沈陽 110142

蜂窩密封的泄漏特性直接影響航空發動機的工作效率。本文采用理論分析與實驗研究相結合的方法系統研究蜂窩密封的泄漏特性。建立了蜂窩密封流場特性CFD求解模型，數值分析了轉速、進出口壓比、蜂窩孔對邊距、蜂窩孔深、蜂窩壁厚等因素對密封泄漏量的影響，揭示了蜂窩密封的封嚴機理。設計搭建了蜂窩密封泄漏特性實驗臺，實驗研究了進出口壓比、轉速等因素對蜂窩密封泄漏特性的影響。數值分析與實驗測試相互驗證，在此基礎上，考慮蜂窩密封泄漏特性影響因素，結合傳統經典迷宮密封泄漏量Egli公式，構造了蜂窩密封泄漏量計算公式。研究結果表明，蜂窩密封的孔深、對邊距和壁厚是通過影響蜂窩孔中渦系的發展和蜂窩孔的密度來影響泄漏量的。渦系發展的越充分，蜂窩孔的密度越大，蜂窩密封的泄漏量就越小；轉速對蜂窩密封泄漏量影響較小；蜂窩密封的泄漏量隨進出口壓比的增加而增大，兩者近似呈線性關系；隨著蜂窩孔深度增加，蜂窩密封泄漏量先逐漸減小后逐漸趨于平穩；隨著蜂窩孔對邊距增加，密封泄漏量先減小，后出現了小幅度的增加；隨著蜂窩壁厚的增加，蜂窩密封泄漏量先近似線性增大后緩慢增大。本文研究為蜂窩密封結構設計提供理論依據。

蜂窩密封； 泄漏特性； 流場特性； 實驗研究； 公式構造

蜂窩密封是航空發動機的關鍵部件，起著防止工作介質泄漏和節能降耗的關鍵作用。通過在發動機機匣封嚴環表面釬焊蜂窩密封環，與轉子或葉片葉冠上的篦齒構成密封結構可有效提高發動機的工作效率[1-3]。美國航天飛機、U2及F16戰斗機以及中國最新型的戰斗機及民用飛機發動機上均應用了蜂窩密封[4-7]。相對于傳統的迷宮密封而言，蜂窩密封不但具有較好的封嚴特性，還有優良的轉子動力穩定性[8-11]。近年來，隨著航空發動機工作參數的不斷提高，由密封引起的泄漏損失越來越大，直接影響發動機的工作效率[12]。因此，蜂窩密封的泄漏特性越來越引起人們的關注。

目前國內外主要通過實驗測量和數值模擬來研究蜂窩密封的泄漏特性。國外Stoker等[13-14]實驗研究了蜂窩密封在不同密封間隙和蜂窩芯格直徑下的泄漏特性。Schramm等[15]實驗研究了蜂窩靜子面對臺階式迷宮密封泄漏特性的影響。研究結果表明，蜂窩靜子面對密封泄漏量的影響取決于蜂窩的結構和尺寸。Kool[16]、Paolillo等[17]分別采用CFD方法與實驗方法研究了階梯狀直齒與斜齒蜂窩密封在高溫、高轉速條件下的泄漏特性隨轉速的變化規律。研究結果表明，在較小轉速與進口氣流軸向速度比的條件下，泄漏量受轉速影響較小。國內關于蜂窩密封實驗研究文獻較少，大多采用數值方法研究蜂窩密封的泄漏特性。李軍等[18-19]數值研究了汽輪機用轉子面高低齒靜子面蜂窩密封在不同壓比條件下，蜂窩芯格孔徑、孔深與轉速對蜂窩密封泄漏特性的影響。晏鑫[20-21]、李志剛[22]等數值分析了階梯型蜂窩密封的泄漏特性及其影響因素。研究結果表明，蜂窩密封的結構參數對其泄漏特性的影響比較復雜，不是簡單的線性關系。雖然國內外在有關蜂窩密封實驗測量和數值研究方面分別取得了很多成果，但是能夠將理論和實驗相結合，系統研究蜂窩密封泄漏特性的論文較少，國內鮮有關于蜂窩密封泄漏特性的實驗結果報道。

本文采用理論分析與實驗研究相結合的方法系統研究蜂窩密封的泄漏特性。建立蜂窩密封流場特性理論模型，分析蜂窩密封流場特性，研究轉速、進出口壓比、蜂窩孔對邊距、蜂窩孔深、蜂窩壁厚等因素對密封泄漏量的影響，揭示蜂窩密封封嚴機理。設計搭建蜂窩密封泄漏特性實驗臺，實驗研究進出口壓比、轉速等因素對蜂窩密封泄漏特性的影響。數值分析與實驗測試相互驗證，在此基礎上，考慮蜂窩密封泄漏特性影響因素，結合傳統經典迷宮密封泄漏量Egli公式，構造蜂窩密封泄漏量計算公式。本文研究為航空發動機蜂窩密封結構設計提供理論依據。

1 蜂窩密封流場特性理論分析

1.1 蜂窩密封流場特性理論模型

1.1.1 求解模型

本文研究的蜂窩密封如圖1所示，圖1(a)為蜂窩密封二維結構示意圖，圖1(b)為蜂窩密封三維結構示意圖與實物圖。蜂窩密封主要是由密封套、密封體、蜂窩帶及轉子組成。其中蜂窩帶是由若干均勻分布于密封靜子面的六邊形蜂窩孔組成。B為蜂窩對邊距，b為蜂窩壁厚，h為蜂窩孔深，R為蜂窩密封內表面半徑，r為轉子半徑。本文研究的蜂窩密封轉子表面光滑。蜂窩密封的具體結構參數如表1所示。

圖1 蜂窩密封結構
Fig.1 Honeycomb seal structure

表1 蜂窩密封結構參數Table 1 Geometry parameters of honeycomb seal structure

1.1.2 求解模型網格劃分

蜂窩密封流場結構復雜，考慮網格質量對數值計算精度的影響，本文將蜂窩密封網格模型分為蜂窩孔和密封間隙兩部分，圖2為蜂窩密封徑向剖面網格示意圖。為了細化流動狀況變化較大的密封間隙部分，間隙處徑向相鄰兩節點間距比取1.1，同時增加間隙徑向的節點數，提高網格密度。

圖2 密封徑向剖面網格示意圖
Fig.2 Radial profile mesh sketch of seal

為了減少網格質量對計算結果的影響，分別對不同網格節點數蜂窩密封模型進行計算，圖3為泄漏量隨節點數的變化關系，當網格數大于41萬時，由節點數影響產生的泄漏量相對誤差小于0.1%，可以認為泄漏量受節點數的影響對計算結果影響不大。

圖3 泄漏量隨節點數的變化
Fig.3 Influence of number of nodes on leakage

1.1.3 邊界條件及求解方法

整周建模會增加密封計算網格的數量，降低計算效率，考慮到蜂窩密封的周向對稱性，本文采用周期性建模的方法。本文蜂窩密封的蜂窩孔在圓周方向為周期性的交錯排列方式，圖4中的蜂窩密封求解模型為最小的周期扇形段求解區域，包括軸向一列蜂窩孔，以及鄰近其兩側的各半列蜂窩孔。定義周期面為：蜂窩密封求解模型最小周期扇形段的兩個徑向截面。本文的計算域流體為理想氣體，采用壓力入口、壓力出口邊界，兩個周期面設為周期性邊界條件，轉軸面設為旋轉固體壁面，靜子面設為無滑移絕熱固體壁面。圖4為密封模型邊界條件示意圖。表2給出了蜂窩密封模型工況參數。

利用商用CFD軟件作為計算平臺求解k-ε湍流模型，當連續方程、動量守恒方程和湍流方程的殘差小于10-6數量級，進出口質量流量差值小于0.1%時，認為計算收斂。

圖4 密封模型邊界條件示意圖
Fig.4 Schematic diagram of boundary condition of seal model

表2 密封模型工況參數Table 2 Work condition parameters of seal model

1.2 蜂窩密封流場特性分析

1.2.1 速度分布特性分析

圖5所示為蜂窩密封周期面速度矢量分布圖。氣流經過蜂窩壁和轉子之間的間隙處節流從而形成高速射流。射流被分成兩部分，一部分緊貼著轉子面以較大的速度進入下一間隙處；另一部分在蜂窩孔中膨脹，由于蜂窩壁的阻擋作用在蜂窩內部卷起，軸向逆壓梯度引起孔壁邊界層分離，分離后在蜂窩孔中形成明顯的低速漩渦，這些充滿整個蜂窩孔的漩渦將氣體的動能轉化為內能耗散，從而減小了蜂窩密封的泄漏量。A向視圖為蜂窩密封沿蜂窩孔深50%處的速度矢量局部放大圖，從圖中可以明顯看出氣流在每個蜂窩孔中對稱形成了兩個完整的漩渦，從而更加充分地將氣體動能以內能的形式耗散，賦予了蜂窩密封優良的封嚴特性。

圖5 蜂窩密封速度場分布
Fig.5 Velocity distribution of honeycomb seal

1.2.2 壓力分布特性分析

圖6給出了蜂窩密封周向壓力分布圖。在軸向壓差的作用下，密封入口處至密封出口處的氣流壓力呈階梯型下降，在蜂窩孔中的壓力基本相等。結合蜂窩密封的速度分布特性，可以說明壓降主要發生在密封節流處。在密封間隙處氣流速度增加，損失一部分壓力能轉化為動能，而在蜂窩腔中速度損失主要以內能的形式耗散，對壓力影響不大，所以壓力變化不明顯。

圖6 蜂窩密封周向壓力分布
Fig.6 Distribution of circumference pressure on honeycomb seal

1.2.3 蜂窩密封封嚴機理

蜂窩密封內流體流動主要包括蜂窩壁與轉子間隙流體的高速射流和蜂窩孔內的漩渦流兩部分。在軸向壓差和轉子旋轉的作用下，蜂窩帶和轉子的間隙處由于節流作用形成高速射流，該股射流緊貼在轉子面以較大的速度進入密封間隙。另一部分流體在蜂窩孔作用下形成漩渦，蜂窩孔特殊的六邊形結構在轉軸面上方形成了一個網狀面結構，封閉式的蜂窩孔網格將氣流切割分離為無數小渦流，正是這些充滿整個蜂窩腔的漩渦將氣體的能量耗散，降低了蜂窩密封結構的泄漏量。

2 蜂窩密封泄漏量實驗

2.1 實驗裝置

為了獲得蜂窩密封泄漏量的實驗數據與數值模型相互對比驗證，本文設計搭建了密封泄漏特性實驗臺，其氣路示意圖如圖7所示。實驗臺由供氣系統、傳動系統、潤滑系統和密封系統組成。螺桿壓縮機將空氣增壓儲存在儲氣罐內，其能提供的最大壓力為1 MPa。實驗時由儲氣罐為轉子密封系統供氣，采用高精度渦街流量傳感器測量儲氣罐出口流量，在密封進口時由主輸氣管道分出4個支路，分別用于密封系統4個位置的徑向供氣。傳動系統如圖8所示，主要由滑動軸承、平衡盤、氣缸、轉子、聯軸器、增速器及無極調速變頻電機構成。直流電動機功率為15 kW，選用齒輪增速器增速，經傳動比為1∶4.5的增速器增速之后，增速器輸出端的最高轉速可達到6 000 r/min。實驗臺轉子長為1 800 mm，實驗段轉子直徑為180 mm，轉子轉速范圍在0～6 000 r/min間可調。

圖7 密封泄漏特性實驗臺氣路示意圖
Fig.7 Gas circuit scheme of seal leakage characteristics test rig

圖8 密封泄漏特性實驗臺
Fig.8 Test rig for seal leakage characteristics

2.2 蜂窩密封泄漏量的測定

實驗臺設計時考慮到單側軸向進氣會產生較大的軸向推力，且容易導致氣流從進氣端泄漏而不流經蜂窩密封，決定采用氣缸中間部位進氣的方式，同時在氣缸軸向兩端安裝兩副相同的蜂窩密封。

由儲氣罐流出的高壓氣體在進入氣缸前通過分流裝置分為4股氣流，分別由氣缸中部的上下左右4個方向同時進入，使得高壓氣流作用在氣缸的軸向推力相互抵消，同時也保證了氣流全部流經密封，便于密封泄漏量的實驗測量。密封系統位于軸套處，密封平均間隙為0.2 mm，氣缸內部結構如圖9所示，蜂窩密封通過燕尾槽安裝在氣缸上。實驗采用高精度渦街流量傳感器測量密封進氣口處氣體質量流量即為蜂窩密封的泄漏量。實驗件內徑為180.4 mm，軸向長度為86 mm，蜂窩孔深為4 mm，對邊距為5 mm，壁厚為0.428 6 mm。本文分別測量泄漏量隨轉速與進出口壓比之間的變化關系。

圖9 氣缸實驗結構示意圖
Fig.9 Sketch of experimental structure of cylinder

2.3 實驗結果分析

圖10(a)為5種轉速下，密封間隙為0.02 mm、壓比為8時實驗測得的蜂窩密封的泄漏量與理論計算的泄漏量的比較。圖10(b)為5種壓比下，密封間隙為0.2 mm、轉速為3 000 r/min時實驗測得的蜂窩密封泄漏量與理論計算泄漏量的比較。由圖10可以看出，在本文研究工況下，轉速對蜂窩密封泄漏量的影響不大；蜂窩密封的泄漏量隨壓比的增大而增加，兩者之間近似呈線性關系。實驗測得的泄漏量要略大于理論計算的結果，但相對誤差小于8%。表3給出了實驗結果中各個測量點的誤差限。本文蜂窩密封泄漏量實驗測試結果驗證了理論模型的準確性。

圖10 轉速和進出口壓比對密封泄漏量的影響
Fig.10 Influence of rotation speed and inlet/outlet pressure ratio on leakage

表3 實驗數據誤差限Table 3 Error margin of experimental data

3 蜂窩密封泄漏特性分析

在實驗驗證蜂窩密封理論模型準確性的基礎上，進一步利用理論模型研究蜂窩密封的孔深、對邊距和壁厚對其泄漏特性的影響。

3.1 孔深對蜂窩密封泄漏特性的影響

圖11為在蜂窩孔對邊距為5 mm，壁厚為0.428 6 mm，壓比為8時，蜂窩密封泄漏量隨蜂窩孔深度的變化曲線。由圖中可以看出，在蜂窩孔深度小于8 mm時，蜂窩密封泄漏量隨著蜂窩孔深度的增加而逐漸減小；當蜂窩孔深度大于8 mm時，泄漏量的減少趨勢減緩，逐漸趨于平穩。這是由于氣體在流經孔深較淺的蜂窩帶時，由節流處進入蜂窩孔的高速射流在蜂窩孔中形成強烈的漩渦，但因蜂窩孔深度的限制，渦系不能得到完全發展，由此進行的能量耗散要小于渦系充分發展的能量耗散；當孔深過大時，蜂窩孔中的漩渦變得十分微弱，蜂窩底部的氣體幾乎滯止，氣體動能轉化為熱能的作用減小，導致泄漏量減少趨勢減緩。

圖11 蜂窩孔深對密封泄漏量的影響
Fig.11 Influence of honeycomb cell hole depth on seal leakage

3.2 對邊距對蜂窩密封泄漏特性的影響

圖12 蜂窩孔對邊距對密封泄漏量的影響
Fig.12 Influence of honeycomb cell subtense distance on seal leakage

圖12為蜂窩孔深為4 mm，壁厚為0.428 6 mm，壓比為8時，蜂窩密封泄漏量隨蜂窩孔對邊距的變化曲線，由圖中可以看出，在蜂窩孔對邊距小于8 mm時，蜂窩密封泄漏量隨著蜂窩孔對邊距的增加而逐漸減小；當蜂窩孔對邊距大于8 mm時，泄漏量不再隨著蜂窩孔對邊距的增加而減少，而是出現了小幅度的增加。這是由于隨著蜂窩孔對邊距的增大，蜂窩孔體積增大，氣流在蜂窩孔中形成的渦系逐漸得以發展，氣體的能量更多的轉化為內能耗散，泄漏量減小；但蜂窩孔對邊距的持續增大會減小蜂窩孔的密度，氣流流經蜂窩密封結構時形成漩渦的數量受到了限制，不能將自身的能量充分地轉化為熱能耗散，因此隨著孔對邊距的增大，蜂窩密封的泄漏量會有所增大。

3.3 壁厚對蜂窩密封泄漏特性的影響

圖13為蜂窩孔深為4 mm，對邊距為5 mm，壓比為8時，蜂窩密封泄漏量隨蜂窩壁厚的變化曲線，由圖中可以看出，蜂窩密封的泄漏量隨著蜂窩壁厚的增加而增大；當壁厚大于0.5 mm時，泄漏量隨壁厚的增加放緩。當蜂窩密封的壁厚增加時，單排軸向蜂窩孔的泄漏量是逐漸減小的，因為在增加壁厚時增加了節流處的長度，一定程度上增加了氣流的沿程損失，但壁厚的增加會減小蜂窩孔的密度，固定密封空間的蜂窩孔數減少，所以整體蜂窩密封結構的泄漏量會隨著壁厚的增加而增加。

圖13 蜂窩壁厚對密封泄漏量的影響
Fig.13 Influence of honeycomb cell wall thickness on seal leakage

4 泄漏量計算公式構造

4.1 構造分析

為了構建蜂窩密封泄漏量理論計算公式，引入修正系數α，通過對理想流動條件下的泄漏量計算公式的修正，得到蜂窩密封的實際泄漏量公式：

M=αMi

(1)

式中：M為蜂窩密封的實際泄漏量；Mi為在經典迷宮密封泄漏量Egli計算公式的基礎上，提出的在理想流動條件下蜂窩密封泄漏量計算公式：

(2)

(3)

式中：Ptot,in為密封進口總壓；Psta,out為出口靜壓；R為理想氣體常數；Ttot,in為氣體進口總溫；β為泄漏系數；Z為單行軸向蜂窩孔個數；A為密封間隙處迎氣面積，A=πDaves，Dave為密封間隙處的平均直徑，s為密封間隙。

4.2 公式構造

在泄漏量計算公式構造分析和實驗研究的基礎上，并且考慮結構參數和工況參數對蜂窩密封泄漏特性的影響，構造了蜂窩密封的實際泄漏量理論計算公式：

(4)

為了排除進口壓力對分析的干擾，同時使數值模擬的結果能推廣應用于進口壓力、溫度與本文不同的工況，將數值計算得到的泄漏量轉化為無量綱的流量系數[23]：

(5)

式中：m為數值計算或者實驗測量得到的不同結構參數和工況參數的蜂窩密封泄漏量。對比式(4)和式(5)，可以發現流量系數φ與泄漏系數β和修正系數α的關系，即

φ=αβ

(6)

因此，由式(6)可知，修正系數α可以由蜂窩密封的流量系數φ和泄漏系數β得到。

影響蜂窩密封泄漏量的結構參數包括蜂窩孔的對邊距、蜂窩孔孔深和靜轉子之間的間隙。通過分析不同結構參數下的蜂窩密封的泄漏量規律，構造結構參數關于修正系數α的表達式：

(7)

式中：μ為壁厚b和蜂窩孔對邊距D的比值，與密封的有效泄漏面積有關，0.005<μ<0.15；ξ為蜂窩孔深H和蜂窩孔對邊距D的比值，與密封的粗糙度效應有關，0.4<ξ<5。在大量數值計算結果的基礎上，采用最小二乘法進行多次擬合可得：

(8)

將式(8)代入式(7)可求得泄漏系數α，再代入式(4)，即可得到蜂窩密封實際泄漏量理論計算公式。

4.3 計算結果比較

為了驗證蜂窩密封泄漏量公式(4)的準確性，分別將不同結構參數下蜂窩密封泄漏量的數值計算結果與公式預測結果相比較。如圖14所示，在不同結構參數下，式(4)的計算結果和數值計算結果的相對誤差均小于5%，滿足一般的工程需要，說明式(4)計算出的泄漏量能夠很好地吻合數值計算的結果，式(4)能夠可靠的預測蜂窩密封的泄漏量，從而為設計優化具體的蜂窩密封結構提供參考。

圖14 公式和數值計算結果比較
Fig.14 Results of comparison between formula and CFD simulation calculation

5 結 論

1) 蜂窩密封的孔深、對邊距和壁厚是通過影響蜂窩孔中渦系的發展和蜂窩孔的密度來影響泄漏量的。渦系發展的越充分，蜂窩孔的密度越大，蜂窩密封的泄漏量就越小；反之，則越大。

2) 轉速對蜂窩密封泄漏量的影響較小，蜂窩密封的泄漏量隨壓比的增大而增加，兩者之間近似呈線性關系。

3) 隨著蜂窩孔深度增加，蜂窩密封泄漏量先逐漸減小后逐漸趨于平穩；隨著蜂窩孔對邊距增加，密封泄漏量先減小，后出現了小幅度的增加；隨著蜂窩壁厚的增加，蜂窩密封泄漏量先近似線性增大后緩慢增大。

4) 蜂窩密封泄漏特性實驗測試結果驗證了理論模型的準確性，本文構造的蜂窩密封泄漏量公式與理論模型結果很好地吻合，證明公式能夠可靠地預測蜂窩密封的泄漏量。

[1] 晏鑫, 李軍, 豐鎮平. 預旋對蜂窩密封和迷宮密封內流動傳熱特性影響[J]. 航空動力學報, 2009, 24(4): 772-776.

YAN X, LI J, FENG Z P. Influence of inletpreswirl on discharge and heat transfer characteristics of honeycomb and smooth labyrinth seals[J]. Journal of Aerospace Power, 2009, 24(4): 772-776 (in Chinese).

[2] CHILDS D W, ELROD D, HALE K. Annular honeycomb seals: Test results for leakage and rotor-dynamic coefficients; comparisons to labyrinth and smooth configurations[J]. Journal of Tribology, 1989, 111(2): 502-511.

[3] 張毅, 曹麗華, 索付軍. 蜂窩密封泄漏流動特性影響因素的數值研究[J]. 動力工程學報, 2013, 33(10): 775-781.

ZHANG Y, CAO L H, SUO F J. Numerical investigation on factors influencing leakage flow characteristics of honeycomb seals[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2013, 33(10): 775-781 (in Chinese).

[4] MIRKO M, COSIMO B, DANIELE M, et al. Flat plate honeycomb seals friction factor analysis[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2015, 138(7): 072505.1-072505.10.

[5] ALESSIO D, ANDREA R, ELENA C, et al. Numerical analysis of honeycomb labyrinth seals: Cell geometry and fin tip thickness impact on the discharge coefficients[C]//Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, 2015.

[6] 索付軍. 蜂窩密封內部耗散機理的數值研究[D]. 吉林: 東北電力大學, 2013: 10-15.

SUO F J. Numerical investigation on the influence leakage flow characteristics of honeycomb seal[D]. Jilin: Northeast Dianli University, 2013: 10-15 (in Chinese).

[7] 晏鑫, 李軍, 豐鎮平. 蜂窩密封內流動傳熱及轉子動力特性的研究進展[J]. 力學進展, 2011, 41(2): 201-216.

YAN X, LI J, FENG Z P. Review of the discharge, heat transfer and rotor-dynamic characteristics of honeycomb seals[J]. Advanced in Mechanics, 2011, 41(2): 201-216 (in Chinese).

[8] 呂江, 何立東, 王晨陽. 蜂窩密封在小功率汽輪機軸端密封上的應用[J]. 潤滑與密封, 2015, 40(6): 90-94.

LV J, HE L D, WANG C Y. Application of honeycomb seal on shaft-end seal of low power steam turbines[J]. Lubrication Engineering, 2015, 40(6): 90-94 (in Chinese).

[9] 李志剛, 寧霄, 晏鑫. 蜂窩面迷宮密封泄漏特性和鼓風加熱特性研究[J]. 工程熱物理學報, 2015, 36(6): 1196-1200.

LI Z G, NING X, YAN X. Investigation on leakage characteristics and windage heating of honeycomb labyrinth seal[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2015, 36(6): 1196-1200 (in Chinese).

[10] HE L D, YUAN X, JIN Y. Experimental investigation of the sealing performance of honeycomb seals[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2011, 24(1): 13-17.

[11] 李金波, 何立東. 蜂窩密封流場旋渦能量耗散的數值研究[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(32): 67-71.

LI J B, HE L D. Energy dissipation of vortexes in honeycomb seals using numerical simulation[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(32): 67-71 (in Chinese).

[12] 孫丹, 王雙, 艾延廷. 阻旋柵對密封靜力與動力特性影響的數值分析與實驗研究[J]. 航空學報, 2015, 36(9): 3002-3011.

SUN D, WANG S, AI Y T. Numerical and experimental research on performance of swirl brakes for the static and dynamic characteristics of seals[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(9): 3002-3011 (in Chinese).

[13] STOKER H L. Determining and improving labyrinth seal performance in current and advanced high performance gas turbines： AGARD CP 273[R]. 1978.

[14] STOKER H, COX D, HOLLE G. Aerodynamic performance of conventional and advanced design labyrinth seal leakage with solid-smooth, abradable and honeycomb lands： NASA-CR-135307[R]. Washington, D.C.: NASA, 1997.

[15] SCHRAMM V, WILLENBORG K, KIM S. Influence of a honeycomb facing on the flow through a stepped labyrinth seal[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2002, 124(1): 140-146.

[16] KOOL G, BINGEN F, PAOLILLO R. High temperature, high speed seal test rig-design, build, and validation： AIAA-2005-3902[R]. Reston： AIAA, 2005.

[17] PAOLILLO R, VASHIST T K, CLOUD D, et al. Rotating seal rig experiments: Test results and analysis modeling[J]. ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea and Air, 2006, 32(10): 1551-1559.

[18] 李軍, 鄧清華, 豐鎮平. 蜂窩汽封和迷宮式汽封流動性能比較的數值研究[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(16):108-111.

LI J, DENG Q H, FENG Z P. Comparison of the flow characteristics for the honeycomb and labyrinth seal using numerical simulation[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(16): 108-111 (in Chinese).

[19] LI J, KONG S R, YAN X. Numerical investigation on leakage performance of the rotating labyrinth honeycomb seal[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 2010, 132(6): 062501.1-062501.11.

[20] YAN X, LI J, SONG L M, et al. Investigations on the discharge and total temperature increase characteristics of the labyrinth seals with honeycomb and smooth lands[J]. Journal of Turbomachinery, 2009, 131(4): 041009.1-041009.8.

[21] 陳秀秀, 晏鑫, 李軍. 蜂窩葉頂密封對透平氣動性能的影響研究[J]. 西安交通大學學報, 2016, 50(4): 1-7.

CHEN X X, YAN X, LI J. Effect of honeycomb shroud seals on aerodynamic performance of turbine stages[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(4): 1-7 (in Chinese).

[22] 李志剛, 李軍, 豐鎮平. 蜂窩密封流動特性的數值研究和泄漏量計算公式的構造[J]. 機械工程學報, 2011, 47(2): 142-148.

LI Z G, LI J, FENG Z P. Numerical investigation on discharge behavior and prediction formula establishment of leakage flow rate of honeycomb seal[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(2): 142-148 (in Chinese).

[23] GAMAL A J M, VANCE J M. Labyrinth seal leakage tests: Tooth profile, tooth thickness, and eccentricity effects[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2008, 130(1): 012510.1-012510.11.

Theoreticalandexperimentalstudyofleakagecharacteristicsofhoneycombseal

SUNDan1,*,WANGMengfei1,AIYanting1,XIAOZhonghui2,MENGJigang2,LIYun2

1.LiaoningKeyLaboratoryofAdvancedTestTechnologyforAerospacePropulsionSystem，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China2.ShenyangBlowerWorksGroupCo.，Ltd.，Shenyang110142，China

Theleakagecharacteristicsofthehoneycombsealdirectlyinfluencetheworkingefficiencyoftheaero-engine.Theleakagecharacteristicsofhoneycombsealareanalyzedusingtheoreticalandexperimentalmethods.TheCFDmodelfortheflowcharacteristicofhoneycombsealisdevelopedtoanalyzetheinfluenceofrotationalspeed,inlet/outletpressureratio,subtensedistance,celldepth,andwallthicknessonsealleakageandtorevealthedensificationmechanismofhoneycombseal.Thesealleakagetestrigisdesignedandbuilttoanalyzetheinfluenceoftheinlet/outletpressureratioandtherotationalspeedonleakageofhoneycombseal.Numericalanalysisandexperimentaltestsareconductedtoverifyeachother.BasedontheEgliformulaforleakagequantityofthetraditionalclassiclabyrinthseal,thecalculationformulafortheleakagequantityofhoneycombsealisconstructed,consideringthefactorsinfluencingtheleakagecharacteristicsofhoneycombseal.Theresultsshowthatthecelldepth,subtensedistanceandwallthicknesscaninfluencethedevelopmentofthevortexsystemandthedensityofhoneycombholes,andtherebyinfluencetheleakage.Themorefullythevortexsystemdevelopsandthegreaterthedensityofhoneycombholeis,thelesshoneycombsealleakagewillbe.Theresultsshowthattherotationalspeedhaslittleinfluenceonthehoneycombsealleakage.Theleakagelinearlyincreasewiththeincreasinginlet/outletpressureratio.Withtheincreaseofthehoneycombcelldepth,thehoneycombsealleakageisfirstlyreducedandisthenstabilized.Withtheincreaseofthesubtensedistance,thehoneycombsealleakagedecreasesinitially,andthenincreasesinsmallparticlesizerange.Withtheincreaseofthewallthickness,thehoneycombsealleakageincreaseslinearlyinitially,andthenslowlyincreases.Theresultsofthisstudycanassistinimprovingthedesignofannularseal.

honeycombseal;leakagecharacteristics;fluidfieldcharacteristics;experimentalstudy;constructionofformula

2016-06-07;Revised2016-07-06;Accepted2016-07-17;Publishedonline2016-08-031002

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160803.1002.002.html

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(11302133，51675351);NaturalFoundationofLiaoningProvince(2015020113)

2016-06-07；退修日期2016-07-06；錄用日期2016-07-17； < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2016-08-031002

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160803.1002.002.html

國家自然科學基金 (11302133，51675351)； 遼寧省自然科學基金 (2015020113)

＊

.E-mailphd_sundan@163.com

孫丹， 王猛飛， 艾延廷， 等． 蜂窩密封泄漏特性理論與實驗J． 航空學報,2017,38(4):420512.SUND，WANGMF，AIYT，etal.TheoreticalandexperimentalstudyofleakagecharacteristicsofhoneycombsealJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(4):420512.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0214

V232.9

A

1000-6893(2017)04-420512-10

(責任編輯： 李世秋)

＊Correspondingauthor.E-mailphd_sundan@163.com