渦輪導向器周向封嚴片泄漏特性數值研究

李劍白，喬瑞強，唐 濤，張克祥，賴志龍

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發動機實際工作中，必須提取一定量的壓縮氣體對熱端部件進行冷卻和封嚴，同時在主流道連接處的縫隙中，不可避免地存在氣體泄漏，而這些冷卻和泄漏氣體對發動機性能具有顯著的影響。Moore[1]指出，發動機中泄漏量下降1%，會使耗油率下降0.4%。Ludwig等[2]介紹了一個封嚴結構研究項目中獲得的節能收益，相當于美國1977年能源消耗的0.3%，約為5.883×109L億加侖燃油。NASA 先進亞聲速運輸(AST)項目，以AE3007 渦扇發動機和T800渦軸發動機為對象，研究了發動機先進封嚴技術，其研究成果可以使耗油率下降2.6%～5.2%[3]。美國IHPTET計劃第二、第三階段中，空氣系統的密封泄漏量目標是分別減少50%和60%，以使高壓壓氣機效率提高4.4%，相當于渦輪進口溫度降低47℃或發動機推力提高7.6%；使高壓渦輪效率提高4.2%，相當于渦輪進口溫度降低52℃或發動機推力提高9.7%[4]。GE公司將六西格瑪設計方法應用于封嚴設計中，使GE 燃機功率輸出提高0.3%～1.0%[5]。燃氣渦輪發動機內部結構很復雜，封嚴問題研究范疇也較廣泛，包括氣動封嚴系統[6]、篦齒封嚴[7]、指尖封嚴[8-9]、U型/W型封嚴圈[10-12]等。Chupp等[13]對葉輪機械中應用的各種封嚴結構，進行了較為全面的總結，具有較高的參考價值。

本文關注的是渦輪導向器周向封嚴問題。對于非整環加工的渦輪導向器，相鄰葉片上下緣板在周向存在縫隙，這些縫隙往往采用封嚴片進行封嚴。封嚴片放置于相鄰葉片緣板的封嚴槽中，如果能與封嚴槽緊密配合，理論上可以實現絕對封嚴。然而，在加工、裝配中很難保證相鄰封嚴槽底面在同一平面上，在工作中葉片緣板和封嚴片還會發生變形，因此，往往會存在縫隙和泄漏。NASA 在E3計劃[14]中，評估了導葉內外緣板滑鍵式封嚴對泄漏控制的有效性，試驗證實封嚴槽結構、表面平整度對泄漏影響很大。Aksit 等[15-16]指出，高壓渦輪導向器和機匣內部連接泄漏，除了會導致效率下降，還會扭曲溫度分布，對應力和NOx排放產生不利的影響。考慮到高壓渦輪導向器和機匣內部連接縫隙存在的相對位移，采用織物包裹的封嚴片來解決。與剛性封嚴片相比，織物包裹的封嚴片可使泄漏量減少65%～77%。該封嚴片在GE公司的燃機上使用，可使F級燃機功率輸出增加0.5%。Minnich 等[17]為了應對靜子組件間的位移和扭曲，發明了一種具有較高適應性的封嚴片結構。

總結國內外在該領域的研究發現，針對渦輪導向器周向封嚴問題鮮見系統的參數化研究。隨著仿真技術不斷發展，CFD 方法在渦輪流場計算[18-19]和節流元件流動計算[8-10]中得到廣泛應用，已成為渦輪工程設計和研究中不可或缺的手段。本文采用CFD方法，系統地研究了平板封嚴片關鍵設計參數對泄漏特性的影響，對比分析了平板、U 型、O 型結構封嚴片內部流動形式和封嚴效果，可為渦輪導向器周向封嚴的工程設計提供參考。

2 封嚴片模型

圖1例舉了3種封嚴片可能的縫隙構型，包括懸空型、錯位型、傾斜型，其中錯位型和傾斜型又可歸納為臺階型。實際工作中，渦輪導向器周向封嚴片的構型會更加復雜。

圖1 封嚴片可能的縫隙構型Fig.1 Possible gap structure of seal strip

鑒于懸空型和臺階型兩種間隙形式，分別代表了平板封嚴片面接觸和線接觸的典型結構，且平板封嚴片的實際工作基本可以用這兩種形式組合，故本文擬對比這兩種間隙形式的內部流動和泄漏特性。圖2 給出了平板封嚴片的結構參數。如圖所示，當封嚴片與封嚴槽間存在間隙i(懸空型)或iL、iR(臺階型)時，封嚴槽通道上下聯通，氣流將由上向下流動，因此i、iL、iR是該結構中最重要的參數。將封嚴片加寬，會使狹縫范圍wi增加，導致流動阻力增加，增強封嚴作用。在封嚴片加寬過程中，如果封嚴槽兩側位置不變，則其封嚴片兩端與封嚴槽的間隙w會減小，而w減小到一定程度也會產生節流效果。本文詳細研究了i、wi、w變化對流動和泄漏特性的影響。同時，還考察了封嚴片周向移動對泄漏量的影響，及封嚴槽下緣板縫隙W2變化帶來的節流效果。

圖2 平板封嚴片結構參數Fig.2 Parameters of plane seal

封嚴片與封嚴槽存在縫隙時，可以看作是一種節流元件。理論上，在相同的節流間隙條件下，節流位置越多，節流效果越好。如果能同時減少封嚴片與封嚴槽上下端面的間隙，則必然會達到更好的封嚴效果。采用剛性平板封嚴片來實現這一目的，會帶來裝配問題，并且當各結構件在工作中發生變形時，封嚴片的壽命和可靠性將受到較大的影響。為此，考慮采用U 型封嚴片對上端壁做進一步封嚴。由于存在彈性，其裝配性和封嚴性能都可以大大加強。U型封嚴片參數如圖3所示。

圖3 U型封嚴片結構參數Fig.3 Parameters of U-type seal

在U 型封嚴片基礎上，可考慮采用O 型封嚴片增加封嚴片與封嚴槽上端面的狹縫范圍，進一步加強封嚴效果。O 型封嚴片模型及參數如圖4 所示?？紤]到封嚴片上下存在壓差，如果采用概念型結構，必須在封嚴片上端面打孔產生均壓效果，以免上端面在壓差作用下變形，導致上端面間隙ia增加，降低封嚴效果。由于整O 型封嚴片的剛性較大，不利于安裝和使用，因此，在O 型封嚴片上端面打開缺口(改良型)，解決上述問題。

圖4 O型封嚴片結構參數Fig.4 Parameters of O-type seal

上述各模型主要參數的基準值如表1所示。

表1 模型主要參數基準值Table 1 The seal parameter base value

3 數值計算方法

以平板封嚴片模型為例介紹網格模型。如圖5所示，計算網格采用單層六面體網格，在封嚴槽及上下通道區域加密。壁面給定15 層邊界層網格，以1.2增長比率自動匹配當地網格密度，第一層網格小于0.001 mm，確保在主要流動區域內y+＜1。

圖5 計算網格Fig.5 The computational grid

采用有限體積法離散，全隱式技術求解定常RANS 方程。對流項采用二階精度格式，湍流模型為Shear Stress Transport(SST)模型[20-21]，轉捩模型為Gamma/Theta模型[22]，上述方法對流動和傳熱問題的計算具有很好的計算精度。

氣流自上向下流動，進口給定總溫、總壓；出口給定靜壓；壁面給定無滑移邊界；前后面采用鏡像面。渦輪導向器周向縫隙的壓差變化較大，本文通過調整進口總壓，模擬了3 種壓比狀態下的流動情況。進出口邊界條件如表2所示。

表2 進出口邊界條件Table 2 Boundary condition of inflow and outflow

4 封嚴片流動特性分析

4.1 平板封嚴片研究

以i=0.10 mm模型的工況2計算結果為例，闡述存在間隙時平板封嚴片的流動機理。圖6給出了懸空型封嚴縫結構內部流動情況?？梢?，上方來流進入相鄰封嚴槽縫隙時加速到Ma≈0.2，隨后沖擊到封嚴片上方，貼封嚴片壁面沿兩側流動。氣流進入封嚴片與封嚴槽下表面形成狹縫后，基本保持層流流動，在狹縫進口流速迅速增加，在向后流動過程中，總壓逐漸降低，速度逐漸增加。在溫度、通道尺寸不變的情況下，為達到流量平衡，狹縫中的總壓損失將導致氣流速度上升。氣流流出狹縫后，總壓急劇下降。氣流在出口的偏轉是由小擾動引起的，對封嚴槽內部流動和泄漏量評估影響不大。

圖6 懸空型封嚴縫結構內部流動(i=0.10 mm，工況2)Fig.6 The flow structure of the dangling sealing structure

圖7給出了臺階型封嚴縫結構流場的馬赫數云圖和壓力云圖(iL=iR=0.10 mm，工況2)，臺階差Hs=0.33 mm?？煽闯?，相鄰封嚴槽出現臺階后，封嚴片與封嚴槽有兩個搭接點。氣流通道在左側搭接點前逐漸收斂，氣流逐漸加速，損失較小。氣流在右側搭接點前流速較低，壓力損失較小。右側搭接點后呈擴張通道，搭接點左側壓力遠低于出口壓力，氣流速度遠高于懸空型狹縫出口速度。因此，當封嚴槽出現臺階時，會增加氣體泄漏，封嚴效果降低。

圖7 臺階型封嚴縫結構內部流動(iL=iR=0.10 mm，Hs=0.33 mm，工況2)Fig.7 The flow structure of the step sealing structure

考察了間隙i=iL=iR=0.05，0.10，0.20，0.30 mm4種情況下的泄漏特性。以進口折合流量評估泄漏量，進口折合流量按公式(1)計算。圖8給出了懸空型封嚴縫結構的泄漏特性。由圖可知，隨著間隙的減小，泄漏量減小，且泄漏量減小速率增加?？梢姡黾臃鈬榔c封嚴槽端面的配合度，減小間隙，對于封嚴至關重要。

圖8 懸空型封嚴縫結構泄漏特性Fig.8 The leakage characteristic of the dangling structure

式中：為進口折合流量(K0.5·kg)/(s·kPa)，G0為進口流量(kg/s)，為進口總壓(kPa)，為進口總溫(K)。

圖8 結果還表明，隨著壓比的增加，泄漏量增加，且泄漏量增加速率減小。這是由于隨著壓比的增加，狹縫中的馬赫數逐漸增加，且流量函數增幅下降。采用取消封嚴片的泄漏量，將同等邊界條件下帶封嚴片的泄漏量進行相對化，獲得相對泄漏量。平板封嚴片的相對泄漏量如圖9所示，可看出，懸空型封嚴縫結構在各壓比下的相對泄漏量，隨間隙的變化規律一致，間隙對泄漏量影響較大，i=0.05 mm 時，懸空型封嚴縫結構的泄漏量僅為無封嚴片時的10%，且比i=0.10 mm 時的相對泄漏量降低約20%。壓比對相對泄漏量影響較小，且隨著壓比的降低，相對泄漏量略有下降。在狹縫間隙為0.30 mm 時，臺階型封嚴縫結構與懸空型封嚴縫結構的封嚴效果相當。隨著間隙的減小，臺階型封嚴縫結構比懸空型封嚴縫結構的泄漏量大，且壓比對臺階型封嚴縫結構的相對泄漏量影響減小。當i=iL=iR=0.05 mm 時，臺階型封嚴縫結構的泄漏量約為懸空型封嚴縫結構的2倍。

圖9 平板封嚴片相對泄漏量隨狹縫間隙的變化Fig.9 The relative leakage of the plane seal with i

圖10 考察了wi=0.92，1.83，2.75，3.55 mm4 種情況下的泄漏特性。可看出，隨wi的增大，泄漏量減小，且基本呈線性變化。不同壓比下的梯度略有區別，3 組邊界中，工況1 條件下的相對泄漏量隨wi的變化最大，wi從0.92 mm 增加到3.55 mm，相對泄漏量下降約6.8%。圖11為工況2條件下，不同wi取值的平板封嚴片馬赫數云圖?？煽闯?，各模型的流動規律基本一致。隨著狹縫寬度的增加，氣流在狹縫中的加速性增加，說明其中壓力損失逐漸增加，從而導致泄漏量下降。

圖10 平板封嚴片相對泄漏量隨狹縫范圍的變化Fig.10 The relative leakage of the plane seal with wi

圖11 不同狹縫范圍取值的平板封嚴片馬赫數云圖(工況2)Fig.11 The Mach Number counter of structures with different wi

考慮到封嚴片在封嚴槽里可能存在串動，進一步研究了w變化的影響。該模型保持封嚴片寬度和封嚴槽結構尺寸不變，即可保持總的狹縫寬度wi不變。從圖12可以看出，平板封嚴片相對泄漏量基本不隨w變化。圖13 給出了工況2 條件下，封嚴片偏離中心位置向右移動后的馬赫數云圖?？煽闯?，狹縫寬度較大的一側氣流速度變化也較大。定量分析結果表明，狹縫寬度小的一側流量大，大的一側流量小，但總流量基本保持不變。因此，只要保持狹縫總寬度不變，泄漏量基本不變。

圖12 平板封嚴片相對泄漏量隨間隙的變化Fig.12 The relative leakage of the plane seal with w

圖13 不同w取值的平板封嚴片馬赫數云圖(工況2)Fig.13 The Mach Number counter of structures with different w

圖14進一步考察了封嚴槽下緣板縫隙的影響，模型調整過程中保持狹縫覆蓋范圍wi不變。可以看出，高壓比(工況2、工況3)條件下，W2＞0.35 mm時，不同W2的流量不變；W2＜0.35 mm 時，流量隨W2減小而減小。低壓比(工況1)條件下，隨W2減小，流量下降，且流量下降速率增加。圖15給出了工況2條件下，W2減小到0.35 mm 和0.20 mm 的馬赫數云圖?？梢钥闯?，當W2=0.35 mm 時，封嚴槽下緣板縫隙中的低速區減小(與W2=0.50 mm相比，見圖6)，當W2=0.20 mm時，限流截面已位于封嚴槽下緣板縫隙中。因此，當封嚴槽緣板縫隙減小到較小的數值時也會起到一定的封嚴效果，但是在工程實際中很難應用。

圖14 平板封嚴片相對泄漏量隨W2的變化Fig.14 The relative leakage of the plane seal with W2

圖15 不同W2取值的平板封嚴片馬赫數云圖(工況2)Fig.15 The Mach Number counter of structures with different W2

4.2 不同結構封嚴片對比

在基礎尺寸條件下，考察了不同封嚴片模型的流動模式和泄漏特性。圖16 給出了不同結構封嚴片在工況2條件下的馬赫數云圖。

圖16 不同結構封嚴片馬赫數云圖(工況2)Fig.16 The Mach Number counter of different seal structures

對于U型封嚴片，U1型為概念型，U2型的設計希望在側壁也產生節流，U3型考察了加長上端面的效果?？梢钥吹?，氣流進入封嚴槽后，向兩側流動，經封嚴片與封嚴槽上端面節流位置后加速，具有一定的節流效果。U1型封嚴片結構中，氣流在封嚴槽兩側按規則的弧線流動，并在其內側形成漩渦。U2封嚴片兩側與封嚴槽距離較近，沒有形成較大漩渦。U3型封嚴片結構中，氣流基本貼壁流動。

O 型封嚴片內部中空，因為其內部基本沒有流動，所以僅做外部流動模擬。從圖中看，O型封嚴片更像一個較厚的平板封嚴片，但是由于中空，O型封嚴片具有一定彈性。O1 型封嚴片在O 型封嚴片基礎上中間打開一缺口，但其中間空腔區域幾乎沒有流動，與O 型封嚴片在狹縫、封嚴槽兩側、封嚴槽緣板狹縫的流動基本一致。O1型封嚴片與U3型封嚴片結構形式類似，但二者流動形式完全不同。

圖17 比較了不同類型封嚴片的封嚴效果。可以看到，3種U型封嚴片雖然在流動形式上不同，但封嚴效果相近。兩種O型封嚴片的封嚴效果幾乎完全相同。U型封嚴片和O型封嚴片較平板封嚴片的封嚴效果分別提高約3%和7%。由于U型封嚴片和O型封嚴片具有彈性，其與封嚴槽間的間隙應更小，較平板封嚴片的優勢也應更明顯，有待通過試驗進一步驗證。

圖17 不同封嚴片結構相對泄漏量隨壓比的變化Fig.17 The leakage characteristics of different seal structures varies with pressure ratio

5 結論

采用CFD 方法研究了封嚴片與封嚴槽間存在間隙時的流動特征，比較了平板封嚴片、U 型封嚴片、O型封嚴片存在間隙時的泄漏特性，主要結論如下：

(1) 當采用平板封嚴片時，相鄰封嚴槽間出現臺階會降低封嚴效果。封嚴片與封嚴槽內表面的間隙是封嚴結構中最關鍵的參數，封嚴片與封嚴槽貼合得越好，氣體泄漏越少。狹縫寬度增加也會加強封嚴效果，但是作用有限。當間隙和狹縫寬度不變時，封嚴片在封嚴槽中發生移動不影響封嚴效果。封嚴槽緣板縫隙減小到較小的數值時也會起到一定的封嚴效果，但是很難在工程實際中應用。

(2) 所考察的3種U型封嚴片的封嚴效果基本一致，幾何形狀的變化或繼續增加節流點可以改變流動過程，但對氣體泄漏量影響不大。兩種O 型封嚴片的流動和封嚴效果基本一致。U型封嚴片的封嚴效果優于平板封嚴片，O 型封嚴片封嚴效果優于U型封嚴片。

(3) 封嚴片的設計應考慮具有一定的結構變化適應能力，選取彈性結構的封嚴片，或選擇表面具有壓縮性的柔性材料，確保在彈性和壓差的作用下，封嚴片與封嚴槽緊密配合。封嚴槽的設計應盡可能提高配合面的平整度，以便與封嚴片良好地配合。