導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)盤緣封嚴(yán)效率影響的數(shù)值研究

董偉林 張 鵬 楊元英

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)試驗(yàn)室 湖南株洲 412002)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪部件中，通常會(huì)在轉(zhuǎn)盤和靜盤的尾緣設(shè)置軸向擋環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，稱之為盤緣封嚴(yán)。有研究表明：如果發(fā)動(dòng)機(jī)的封嚴(yán)冷氣泄漏量可以降低50%，則其整體循環(huán)熱效率會(huì)提高0.5%，同時(shí)耗油率將下降0.9%[1]。掌握盤腔及盤緣結(jié)構(gòu)對(duì)盤腔流動(dòng)換熱和封嚴(yán)特性的影響規(guī)律，深入挖掘盤緣主流入侵機(jī)制，設(shè)計(jì)高效盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，可以有效地控制并減少冷氣泄漏量，減少主流入侵至盤腔，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。

國(guó)外方面，英國(guó)Bath大學(xué)OWEN團(tuán)隊(duì)率先針對(duì)轉(zhuǎn)靜盤腔主流入侵展開(kāi)了相關(guān)研究[2]，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流體一起旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，旋轉(zhuǎn)的流體會(huì)被甩出盤腔，這種效應(yīng)也被稱為泵效應(yīng)；當(dāng)盤腔冷氣供給流量小于這股流量時(shí)，主流通道的氣流便會(huì)入侵至盤腔。ABE和OWEN[3]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)主流道包含靜止導(dǎo)葉后，氣流在導(dǎo)葉尾緣分離降速形成切向的壓力不均勻現(xiàn)象，其高壓區(qū)可能會(huì)誘發(fā)主流入侵盤腔。OWEN[4-5]將盤緣封嚴(yán)研究繼續(xù)向前推進(jìn)，將因冷氣供給流量小于轉(zhuǎn)盤泵效應(yīng)夾帶流量這種主流入侵方式稱為旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)主流入侵(Rotationally Induced，RI)，將由主流通道靜葉導(dǎo)致切向壓力不均勻從而引發(fā)主流入侵稱為外部誘導(dǎo)主流入侵(Externally Induced，EI)；當(dāng)上述2種現(xiàn)象都存在時(shí)，稱之為聯(lián)合誘導(dǎo)主流入侵(Combined Induced，CI)；并且，通過(guò)假設(shè)流體無(wú)黏，主流最高值與最低值之間壓力為線性分布(也稱為鋸齒模型，Sawtooth Model)，分別推導(dǎo)了RI、EI和CI封嚴(yán)流量和最小封嚴(yán)流量的關(guān)系式。近10年來(lái)，OWEN團(tuán)隊(duì)從5個(gè)方面總結(jié)了其研究成果，分別為：旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)主流入侵(RI)，外部誘導(dǎo)主流入侵(EI)，盤腔內(nèi)部流動(dòng)，非設(shè)計(jì)工況及單雙層封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)。針對(duì)雙擋環(huán)結(jié)構(gòu)，盤腔從低到高可以分為內(nèi)腔和外腔，外部誘導(dǎo)的氣流并沒(méi)有入侵至內(nèi)腔，而是集中在外腔，而旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的氣流則會(huì)入侵至內(nèi)腔[6-10]。LEE等[11]設(shè)計(jì)了徑向波浪式盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)葉尾緣壓力較高區(qū)域?qū)Ψ鈬?yán)環(huán)進(jìn)行加厚，較均勻盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率提高了3.8%。TERAMACHI等[12]設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤帶翅片封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)同樣也可以提高封嚴(yán)效率。

國(guó)內(nèi)方面，李軍團(tuán)隊(duì)對(duì)1.5級(jí)渦輪主流入侵特性進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)隨主流流量的增加，封嚴(yán)效率逐漸降低，將封嚴(yán)環(huán)由光滑面改成蜂窩結(jié)構(gòu)后，封嚴(yán)效率得到了提高[13-14]。鄔澤宇等[15-16]通過(guò)在主流添加二氧化碳的方法，試驗(yàn)研究了封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)、凸起結(jié)構(gòu)等對(duì)封嚴(yán)效率的影響。董偉林等[17-19]發(fā)現(xiàn)即使不考慮導(dǎo)葉尾緣的切向非均勻壓力的影響，主流仍然會(huì)在封嚴(yán)間隙誘導(dǎo)形成卷吸渦從而發(fā)生主流入侵，且該種入侵方式與旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)燃?xì)馊肭执嬖谙嗷チb絆的效果；基于此，提出了咬齒型封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，較直齒有效提升封嚴(yán)效率，降低盤腔向主流的泄漏量。

綜合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，對(duì)于外部誘導(dǎo)主流入侵的相關(guān)研究主要集中在不同的轉(zhuǎn)靜盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)形式上。對(duì)于導(dǎo)葉而言，其尾緣的非均勻壓力分布正是主流入侵盤腔的主要誘因之一，然而導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)往往只服務(wù)于主流的氣動(dòng)性能，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)盤腔封嚴(yán)效率帶來(lái)的影響則缺乏考慮。本文作者正是以此為出發(fā)點(diǎn)，采用數(shù)值方法，揭示了導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)封嚴(yán)效率及盤腔流場(chǎng)影響的規(guī)律。

1 研究方法

1.1 研究模型

圖2所示為計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分，文中對(duì)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其余關(guān)鍵參數(shù)與文獻(xiàn)[20]一致，見(jiàn)表1?；A(chǔ)模型(type-VB)導(dǎo)葉安裝角為46°，弦長(zhǎng)為68 mm，導(dǎo)葉尾緣距封嚴(yán)出口2.5 mm，整環(huán)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)為30個(gè)，取單個(gè)導(dǎo)葉作為周期性計(jì)算域，即為1/30物理模型。采用用戶自定義標(biāo)量(User Defined Scalar，UDS)方法模擬主流入侵。主流入口采用流量進(jìn)口邊界條件，給定靜溫，標(biāo)量值設(shè)為1；次流入口同樣采用流量進(jìn)口和靜溫邊界條件，標(biāo)量值設(shè)為0；主流出口采用壓力出口邊界條件。所有壁面設(shè)置為絕熱無(wú)滑移邊界。采用ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，使用了O形網(wǎng)格以及H形網(wǎng)格，對(duì)葉身附近流體區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理以充分捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)。

圖2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 Computational model and meshing

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters

1.2 參數(shù)定義

(1)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)

式中:b為轉(zhuǎn)盤最大半徑;μ為次流入口動(dòng)力黏度;Ω為旋轉(zhuǎn)角速度;ρ為次流入口的密度。

旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)反映了轉(zhuǎn)盤整體旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的強(qiáng)弱。

(2)封嚴(yán)效率[13]

式中:ca為主流入口的示蹤氣流濃度(在數(shù)值模擬中，采用添加標(biāo)量的方法進(jìn)行替代)，其值設(shè)置為1;co為封嚴(yán)冷氣入口的示蹤氣流濃度，其值設(shè)置為0;cs為盤緣擋環(huán)下端面對(duì)應(yīng)的徑向位置(r/b=0.978)。

1.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)k-ε，RNGk-ε和SSTk-ω湍流模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[20]試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比?？芍?，計(jì)算盤腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，3種湍流模型的精度均在可接受范圍之內(nèi)，RNGk-ε由于對(duì)旋流的修改，使得盤腔內(nèi)高半徑處流體徑向速度最高。文中采用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

圖3 湍流模型驗(yàn)證Fig.3 Turbulence model validation

網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證分析如圖4所示，最終模型網(wǎng)格數(shù)為220萬(wàn)，縱坐標(biāo)變化量不超過(guò)0.6%。

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

2 結(jié)果討論

2.1 導(dǎo)葉角度的影響

董偉林等[17]的研究表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)，燃?xì)馊肭种饕问绞切D(zhuǎn)誘導(dǎo)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105時(shí)，則表現(xiàn)為主流誘導(dǎo)，因此文中針對(duì)上述2種雷諾數(shù)工況展開(kāi)研究，以期獲得2種不同入侵形式下導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)變化對(duì)封嚴(yán)特性的影響規(guī)律。

圖5給出了ReΦ=1.26×105時(shí)3種導(dǎo)葉角度下主流通道壓比(與出口壓力比值，下同)分布。隨著導(dǎo)葉安裝角度增加，主流入口的壓力逐步增加，這是因?yàn)殡S著導(dǎo)葉安裝角度增加使導(dǎo)葉間的流通喉部面積明顯減小，流動(dòng)阻力增大，從而使得主流入口的壓力增加。

圖5 不同導(dǎo)葉角度下主流通道壓比分布(50%葉高)Fig.5 Pressure ratio distribution of main flow channel at differentvane angles (50% span):(a)type-VBA1(36°);(b)type-VB(46°);(c)type-VBA2(56°)

圖6給出了ReΦ=1.26×105時(shí)不同導(dǎo)葉角度下導(dǎo)葉尾緣下游2.5 mm處(即轉(zhuǎn)靜交界面處)壓比分布。隨著導(dǎo)葉角度的增加，該截面的最高壓力值增加，最低壓力值減少，這同樣是因?yàn)樽钚×魍娣e改變所導(dǎo)致的。導(dǎo)葉角度的增加，會(huì)使得導(dǎo)葉尾緣的切向壓力波動(dòng)變得更加劇烈，一定程度上使得主流入侵變得更加嚴(yán)重。

圖7和圖8所示分別為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105和ReΦ=3.8×106時(shí)不同導(dǎo)葉角度下封嚴(yán)間隙通道內(nèi)徑向速度分布。由圖7可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105時(shí)，隨著導(dǎo)葉安裝角度的增加，徑向入流區(qū)域的面積逐漸增大，徑向入流速度逐漸增加，這代表有更多的主流入侵到盤腔中。其原因正是由于導(dǎo)葉安裝角增加，使導(dǎo)葉尾緣壓力波動(dòng)更加劇烈，切向壓力的最高值增加，盤腔內(nèi)外的壓差增大，從而使得主流入侵變得更加嚴(yán)重。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，徑向入流區(qū)域集中在轉(zhuǎn)盤側(cè)，代表此時(shí)主流氣流主要是沿著轉(zhuǎn)盤入侵至盤腔。

圖6 不同導(dǎo)葉角度下切向截面壓比分布Fig.6 Pressure ratio distribution of tangential section atdifferent vane angles:(a)type-VBA1(36°);(b)type-VB(46°);(c)type-VBA2(56°)

圖7 不同導(dǎo)葉角度封嚴(yán)通道徑向速度分布(ReΦ=1.26×105)Fig.7 Radial velocity distribution of rim seal channel at differentvane angles(ReΦ=1.26×105):(a)type-VBA1(36°);(b)type-VB(46°);(c)type-VBA2(56°)

圖8 不同導(dǎo)葉角度下封嚴(yán)通道徑向速度分布(ReΦ=3.8×106)Fig.8 Radial velocity distribution of rim seal channel at differentvane angles(RΦ=3.8×106)：(a)type-VBA1(36°)；(b)type-VB(46°)；(c)type-VBA2(56°)

由圖8可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)，仍然可以觀察到明顯的徑向入流區(qū)域，不過(guò)其徑向入流區(qū)域的分布情況正好與圖7相反，徑向入流區(qū)域主要集中在靜盤側(cè)。這說(shuō)明了主流氣流是沿著靜盤入侵至盤腔，說(shuō)明在該工況下主流入侵形式為旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)主流入侵。

圖9所示為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105時(shí)不同導(dǎo)葉角度下封嚴(yán)效率分布?？芍S著導(dǎo)葉安裝角度的增加，封嚴(yán)通道內(nèi)主流入侵更加嚴(yán)重，封嚴(yán)效率降低了5%，這與上文中壓力和速度分布的規(guī)律一致。并且主流入侵的深度也會(huì)隨著導(dǎo)葉安裝角度的增加而增加，但是仍然未入侵至盤腔底部，這是因?yàn)楸P腔內(nèi)的流體整體上沿著徑向?yàn)檎龎禾荻龋慈肭值闹髁鳉饬魅匀患性诟甙霃轿恢?，并未深入盤腔內(nèi)部。

圖9 不同導(dǎo)葉角度下封嚴(yán)效率分布(ReΦ=1.26×105)Fig.9 Sealing efficiency of rim seal at different vane angles(ReΦ=1.26×105):(a)type-VBA1(36°);(b)type-VB(46°);(c)type-VBA2(56°)

圖10所示為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)不同導(dǎo)葉角度下封嚴(yán)效率分布。與ReΦ=1.26×105相比，整個(gè)盤腔內(nèi)部都發(fā)生了明顯的主流入侵，且主流氣流幾乎入侵至次流的入口位置，并在盤腔內(nèi)幾乎均勻分布。由扇形截面分布可知，主流在切向幾乎是均勻入侵至盤腔，并且3種導(dǎo)葉安裝角盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)效率差異不大。這說(shuō)明了在大旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下(此時(shí)主流入侵方式為RI)，封嚴(yán)效率與主流通道結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)參數(shù))的關(guān)系較小，而是主要由旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和次流量綱一流量來(lái)決定。

圖11給出了不同導(dǎo)葉角度盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化曲線?？芍?，隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，3種導(dǎo)葉角度盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)效率都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，由此可以得出結(jié)論：無(wú)論是否考慮導(dǎo)葉，旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)與主流雷諾數(shù)二者的“羈絆效應(yīng)[17]”都將存在，即旋轉(zhuǎn)泵效應(yīng)的增加抑制了主流的燃?xì)馊肭?，從而提高了封?yán)效率。此外，還可以發(fā)現(xiàn)3條曲線的“極大值”所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)卻不相同，導(dǎo)葉安裝角越大，其“極大值”所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)也就越大。這是因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)葉安裝角較大時(shí)，其導(dǎo)葉間的最小流通面積減小，在流量不變的情況下，流速增加，相當(dāng)于提高了主流雷諾數(shù)，從而需要更高的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)來(lái)抵消主流沿轉(zhuǎn)盤的入侵趨勢(shì)。

圖10 不同導(dǎo)葉角度下封嚴(yán)效率分布(ReΦ=3.8×106)Fig.10 Sealing efficiency of rim seal at different vane angles(ReΦ=3.8×106)：(a)type-VBA1(36°)；(b)type-VB(46°)；(c)type-VBA2(56°)

圖11 不同導(dǎo)葉角度封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化Fig.11 Variation of sealing efficiency with rotationalReynolds number at different vane angles

2.2 導(dǎo)葉軸向位置的影響

圖12給出了ReΦ=1.26×105時(shí)3種導(dǎo)葉軸向位置下主流通道壓比分布。隨著導(dǎo)葉與封嚴(yán)出口的距離逐漸增加，50%葉高處的壓力分布幾乎沒(méi)有變化。改變導(dǎo)葉的軸向位置，實(shí)際上改變了導(dǎo)葉與封嚴(yán)出口的相對(duì)位置。該圖說(shuō)明了主流通道的壓力分布主要取決于主流通道的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)參數(shù)，而與通道下游結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。

圖12 不同導(dǎo)葉軸向位置主流通道壓比分布(50%葉高)Fig.12 Pressure ratio distribution of main flow channel at differentvane axial positions(50% span)：(a)type-VB(2.5 mm)；(b)type-VBC1(5.5 mm)；(c)type-VBC2(8.5 mm)

圖13所示為ReΦ=1.26×105時(shí)轉(zhuǎn)靜交界面處(分別為導(dǎo)葉尾緣下游2.5、5.5、8.5 mm)壓比分布。隨著導(dǎo)葉尾緣與封嚴(yán)出口距離的增加，流動(dòng)逐漸均勻，切向的壓力波動(dòng)逐漸衰減，切向壓力的最低值變化較小，而切向壓力的最高值明顯降低。

圖13 不同導(dǎo)葉軸向位置下切向截面與出口壓比分布Fig.13 Pressure ratio distribution of tangential section at differentvane axial positions：(a)type-VB(2.5 mm)；(b)type-VBC1(5.5 mm)；(c)type-VBC2(8.5 mm)

圖14和圖15所示分別為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105和ReΦ=3.8×106時(shí)不同導(dǎo)葉軸向位置下封嚴(yán)間隙通道內(nèi)徑向速度分布。由圖14可知，當(dāng)ReΦ=1.26×105時(shí)，隨著導(dǎo)葉尾緣與封嚴(yán)出口距離的增加，徑向入流速度逐漸降低，這說(shuō)明了主流入侵有所減弱，封嚴(yán)效率增加了28%。由圖15可知，當(dāng)ReΦ=3.8×106時(shí)，type-VB導(dǎo)葉尾緣后出現(xiàn)了一塊明顯的徑向入流區(qū)域，而隨著導(dǎo)葉尾緣與封嚴(yán)出口距離的增加，觀察type-VBC2可以發(fā)現(xiàn)徑向入流區(qū)域的分布明顯更加均勻，即氣流切向幾乎均勻地沿著靜盤入侵至盤腔。

圖14 不同導(dǎo)葉軸向位置下封嚴(yán)通道徑向速度分布(ReΦ=1.26×105)Fig.14 Radial velocity distribution of rim seal channel atdifferent vane axial positions (ReΦ=1.26×105)：(a)type-VB(2.5 mm)；(b)type-VBC1(5.5 mm)；(c)type-VBC2(8.5 mm)

圖15 不同導(dǎo)葉軸向位置下封嚴(yán)通道徑向速度分布(ReΦ=3.8×106)Fig.15 Radial velocity distribution of rim seal channel atdifferent vane axial positions (RΦ=3.8×106)：(a)type-VB(2.5 mm)；(b)type-VBC1(5.5 mm)；(c)type-VBC2(8.5 mm)

圖16所示為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×106時(shí)不同導(dǎo)葉軸向位置下封嚴(yán)效率分布?？芍?，隨著導(dǎo)葉軸向位置的增加，封嚴(yán)效率明顯增加。這是因?yàn)榍邢虻膲毫Σ▌?dòng)減弱，即主流通道的切向壓力最高值降低，盤腔內(nèi)外的壓差減小，使得主流入侵減少，封嚴(yán)效率增加。

圖16 不同導(dǎo)葉軸向位置封嚴(yán)效率分布(ReΦ=1.26×105)Fig.16 Sealing efficiency of rim seal at different vane axialpositions (ReΦ=1.26×105)：(a)type-VB(2.5 mm);(b)type-VBC1(5.5 mm);(c)type-VBC2(8.5 mm)

圖17所示為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)不同導(dǎo)葉軸向位置下封嚴(yán)效率分布。可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)，與ReΦ=1.26×105相比，主流氣流幾乎已經(jīng)入侵至次流入口位置，并在整個(gè)盤腔分布均勻。隨著導(dǎo)葉軸向位置的增加，封嚴(yán)效率幾乎不變，即在該工況下，主流入侵程度主要取決于旋轉(zhuǎn)泵效應(yīng)甩出的流量和冷氣供給流量，與導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。

圖18所示為不同導(dǎo)葉軸向位置盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化曲線。整體分析可以看出，在計(jì)算工況范圍內(nèi)，type-VB的封嚴(yán)效率最低，其平均封嚴(yán)效率為62%；type-VBC1的封嚴(yán)效率次之，其平均封嚴(yán)效率為67%；type-VBC2的封嚴(yán)效率最高，其平均封嚴(yán)效率為76%。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在小旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，type-VB的封嚴(yán)效率明顯低于type-VBC1和type-VBC2；隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，3種封嚴(yán)結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了先增加后下降的趨勢(shì)，其峰值正是由前文所說(shuō)的羈絆效應(yīng)所導(dǎo)致。當(dāng)主流入侵方式由EI轉(zhuǎn)為RI后，3種封嚴(yán)的封嚴(yán)效率差異變小，type-VBC2略高于type-VBC1和type-VB，這說(shuō)明由導(dǎo)葉尾緣分離降速增壓所引發(fā)的主流入侵與旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)主流入侵二者是相互疊加的，但是在RI中，封嚴(yán)效率還是主要取決于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和次流量綱一流量的大小。

圖17 不同導(dǎo)葉軸向位置封嚴(yán)效率分布(ReΦ=3.8×106)Fig.17 Sealing efficiency of rim seal at different vane axialpositions(ReΦ=3.8×106):(a)type-VB(2.5 mm);(b)type-VBC1(5.5 mm);(c)type-VBC2(8.5 mm)

圖18 不同導(dǎo)葉軸向位置封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化Fig.18 Variation of sealing efficiency with rotationalReynolds number at different vane axial positions

2.3 導(dǎo)葉稠度的影響

文中計(jì)算域?yàn)閱稳~片周期，因此采用單周期的角度來(lái)表征稠度，角度越小則稠度越大。

圖19給出了ReΦ=1.26×105時(shí)3種導(dǎo)葉稠度下主流通道壓比分布。隨著導(dǎo)葉稠度的降低，主流入口的壓力逐漸降低，這是因?yàn)橹髁魅肟诘牧髁渴呛愣ǖ?，而隨著導(dǎo)葉稠度的降低，流體的流動(dòng)喉部面積增加，使得入口壓力降低。

圖19 不同導(dǎo)葉稠度下主流通道壓比分布(50%葉高)Fig.19 Pressure ratio distribution of main flow channel at differentvane solidity (50% span):(a)type-VB(12°);(b)type-VBN1(15°);(c)type-VBN2(18°)

圖20所示為ReΦ=1.26×105時(shí)不同導(dǎo)葉稠度下導(dǎo)葉尾緣下游2.5 mm處 (即轉(zhuǎn)靜交界面處)壓比分布。隨著導(dǎo)葉稠度的降低，切向的壓力波動(dòng)略微衰減，切向壓力最高值略微降低，而切向壓力最低值幾乎不變，整體上變化不大。

圖20 不同導(dǎo)葉稠度下切向截面與出口壓比分布Fig.20 Pressure ratio distribution of tangential section atdifferent vane solidity:(a)type-VB(12°);(b)type-VBN1(15°);(c)type-VBN2(18°)

圖21所示為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105時(shí)不同導(dǎo)葉稠度下封嚴(yán)間隙通道內(nèi)徑向速度分布。可知，隨著導(dǎo)葉稠度的降低，徑向入流速度逐漸增加，這說(shuō)明主流入侵有所增加。由上文可知,切向截面的最高壓力隨著導(dǎo)葉稠度的降低略微降低，其封嚴(yán)效率降低的原因與主流的切向速度有關(guān)。分析可知隨著導(dǎo)葉稠度的降低，主流的切向速度減小，即其離心力更小，徑向內(nèi)流的阻力更小，而在相同內(nèi)外壓差的作用下，主流的切向速度越小，更容易徑向內(nèi)流，所以主流入侵越嚴(yán)重。

圖21 不同導(dǎo)葉稠度下封嚴(yán)通道徑向速度分布(ReΦ=1.26×105)Fig.21 Radial velocity distribution of rim seal channel at differentvane solidity (ReΦ=1.26×105):(a)type-VB(12°);(b)type-VBN1(15°);(c)type-VBN2(18°)

圖22所示為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)不同導(dǎo)葉稠度下封嚴(yán)間隙通道內(nèi)徑向速度分布。可以發(fā)現(xiàn)，徑向入流區(qū)域同樣變得更加明顯，其原因與低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況相同。且發(fā)現(xiàn)徑向入流區(qū)域由圖21中的靠近轉(zhuǎn)盤變?yōu)閳D22中的靠近靜盤，這說(shuō)明隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，主流入侵方式由外部誘導(dǎo)主流入侵(EI)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)誘導(dǎo)主流入侵(RI)。

圖22 不同導(dǎo)葉稠度封嚴(yán)通道徑向速度分布(ReΦ=3.8×106)Fig.22 Radial velocity distribution of rim seal channel at differentvane solidity (ReΦ=3.8×106):(a)type-VB(12°);(b)type-VBN1(15°);(c)type-VBN2(18°)

圖23和圖24所示分別為旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105和ReΦ=3.8×106時(shí)不同導(dǎo)葉稠度下封嚴(yán)效率分布。由圖23可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=1.26×105時(shí)，隨著導(dǎo)葉稠度的降低，主流入侵變得更加嚴(yán)重，并且入侵的位置也更深。在圖23(c)中可觀察到很明顯的主流入侵軌跡，這正是由于主流的切向速度減小所致，主流切向速度越小，越容易徑向內(nèi)流，封嚴(yán)效率降低了30%。

圖23 不同導(dǎo)葉稠度下封嚴(yán)效率分布(ReΦ=1.26×105)Fig.23 Sealing efficiency of rim seal at different vanesolidity (ReΦ=1.26×105):(a)type-VB(12°);(b)type-VBN1(15°);(c)type-VBN2(18°)

圖24 不同導(dǎo)葉稠度下封嚴(yán)效率分布(ReΦ=3.8×106)Fig.24 Sealing efficiency of rim seal at different vane solidity(ReΦ=3.8×106):(a)type-VB(12°);(b)type-VBN1(15°);(c)type-VBN2(18°)

由圖24可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)ReΦ=3.8×106時(shí)，主流入侵至整個(gè)盤腔并且分布均勻，此時(shí)入侵方式為旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)主流入侵(RI)。type-VBN1的封嚴(yán)效率略低于type-VBN2和type-VB。這同樣說(shuō)明在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，RI占據(jù)了主要地位，在RI條件下封嚴(yán)效率主要取決于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、次流量綱一流量和封嚴(yán)間隙，和主流導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。

圖25所示為不同導(dǎo)葉稠度盤緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化曲線。在計(jì)算工況范圍內(nèi)，type-VBN2的封嚴(yán)效率最低，平均封嚴(yán)效率為46%；type-VBN1的封嚴(yán)效率次之，其平均封嚴(yán)效率為51%；type-VB的封嚴(yán)效率最高，其平均封嚴(yán)效率為62%。其原因與導(dǎo)葉尾緣的流體流動(dòng)密切相關(guān)。由前文可知，隨著葉片數(shù)的減少，流體的切向速度會(huì)降低，因而流體徑向內(nèi)流的阻力更小。隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的繼續(xù)增加，封嚴(yán)效率同樣先增加后下降，其峰值同樣是羈絆效應(yīng)的體現(xiàn)。在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下不同稠度封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率差異不超過(guò)5%。

圖25 不同導(dǎo)葉稠度封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化Fig.25 Variation of sealing efficiency with rotationalReynolds number at different vane solidity

3 結(jié)論

采用三維周期性數(shù)值方法，通過(guò)添加用戶自定義標(biāo)量方法來(lái)計(jì)算盤腔封嚴(yán)效率;改變導(dǎo)葉的角度、軸向位置和稠度，得到其對(duì)盤緣泄漏和封嚴(yán)特性的影響規(guī)律。在文中的計(jì)算工況下，得到以下結(jié)論：

(1)外部誘導(dǎo)主流入侵(EI)是兩個(gè)因素綜合導(dǎo)致的，其一，主流流體在導(dǎo)葉尾緣分離降速，其入侵在切向位置處于導(dǎo)葉尾緣高壓區(qū)內(nèi)(將其稱為第一種形式EI)，其二，主流流體撞擊到轉(zhuǎn)盤壁面并向下入侵，其入侵方向在軸向位置靠近轉(zhuǎn)盤側(cè)(將其稱為第二種形式EI)。

(2)隨著導(dǎo)葉安裝角度增加，導(dǎo)葉尾緣的最高壓力增加，最低壓力降低。在低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下，導(dǎo)葉角度增加，此時(shí)主流入侵方式為EI，封嚴(yán)效率降低；在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下，此時(shí)主流入侵方式為RI，導(dǎo)葉角度增加，封嚴(yán)效率變化不大。

(3)隨著導(dǎo)葉尾緣軸向位置由2.5 mm增至8.5 mm，平均封嚴(yán)效率增加了14%，且封嚴(yán)出口的壓力沿切向變得平緩。在低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下，封嚴(yán)效率明顯增加；在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下，封嚴(yán)效率略微增加。

(4)隨著導(dǎo)葉稠度增加(計(jì)算域角度由18°降低至12°)，平均封嚴(yán)效率增加了16%，且封嚴(yán)出口的壓力最高值和最低值變化不大，但是流體的切向速度增加。在低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下，封嚴(yán)效率明顯降低；在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)工況下，封嚴(yán)效率差異小于5%。