工藝進氣道密封技術研究

李洪雷

摘要：航空發動機工藝進氣道的作用是把足夠數量的外界空氣以較小的流動損失導入發動機，在試驗過程中應保證密封性能好。傳統的密封方式能只能保證低溫低壓環境下進氣道的密封；在高溫高壓環境下，由于材料等的缺陷無法保證。本文結合現有的篦齒封嚴結構，對進氣道密封技術進行研究。

關鍵詞：進氣道；高溫高壓；篦齒封嚴

航空發動機在高溫高壓環境下試驗時，壓力和溫度較常溫下高很多，設計時由于熱膨脹變形的緣故需要留出膨脹間隙，而傳統的橡膠密封不能耐200攝氏度以上的高溫，這就對進氣道密封的結構和材料提出了更高的要求。在本文中采用已有的篦齒密封結構對其進行適當的改進，通過理論及數值分析，得到不同的篦齒密封結構在泄露流體作用下的變形特性，并將數值結果與試驗結果數據相比對，來進行密封結構的優化和改進。篦齒密封結構是用多個曲折的通道來限制流體的一種非接觸式的密封方式。此時，流體從高壓的一側流經篦齒結構，經過多次節流產生較大阻力，此時流體無法向外泄露，可達到密封的目的。篦齒密封方式不受溫度的限制，可在傳統的橡膠等密封方式無法滿足的高溫高壓環境下達到密封的目的。對齒形結構、節流間隙和節流口數進行數據模型分析，對航空發動機進氣道的密封設計有很重要的意義。

1 篦齒密封結構建模

篦齒的形狀是影響篦齒密封特性的一個重要參數，流體通過不同的篦齒結構會產生不同的流場分布，從而產生不同的密封效應。實際應用中比較常見的篦齒齒形有圓形齒、梯形齒、矩形齒、三角形齒等。對每種篦齒齒形在工程中應用，都要對其密封原理、阻尼效應、流體流動規則等進行深入了解和深入研究。通過Fluent等仿真軟件對其進行仿真計算。航空發動機進氣道氣流在進入篦齒結構時，流場比較紊亂，經試驗這種情況下圓形齒的密封效果較差，而其余的梯形齒、矩形齒、三角形齒效果都比較好。本文中只對直角三角形齒、矩形齒、等腰梯形齒等三種比較有代表性的篦齒齒形進行仿真模擬計算，得到他們的流體泄露量大小。進氣道進氣密封結構如下圖所示：

2 篦齒密封流體泄露形式的分析與計算

氣流在進入進氣道到從進氣道排除過程中，經過進氣道篦齒密封結構內的泄露流體在任意一個曲線坐標系中的的質量、動量和能量都是守恒的，其守恒方程都可以表示為一個統一的描述形式[1]：

Xi（ρui-ΓXi）=S

上述公式中，分別在參數值為u、v、w時的質量、動量、能量守恒方程。Γφ代表的意義是擴散函數，Sφ代表源頭項。將以上統一公式進行一系列的推導展開，可得到以下方程：

Xi（ρHui）=Xi[（uPrr+uiPrt）CpTXi+uiσikXi+ui（τi+τj）]

上述公式中，Xi為坐標系，ρ為密度，Cp為進氣道的密封上下齒形之間的壓比熱[2]。

以上公式為理想狀態下篦齒密封的泄露量計算與分析，如果不考慮流體在進入篦齒的流動過程中流體和篦齒表面的摩擦損失，使得進入空腔后氣體的動能和動量全部消失，轉換為熱能。沒有氣體進入下一個密封篦齒。在這種情況下帶入發動機加溫加壓試驗時進入進氣道的真實情況，按進氣溫度723K，進氣壓力0.7MPa計算可得出幾種典型狀態齒形的篦齒結構泄露量：直角三角形齒、矩形齒、等腰梯形齒的篦齒泄露量分別是0.093268kg/s、0.136617kg/s、0.102539kg/s[3]。相比較而言，直角三角形齒的密封性能最好。以上結果為公式迭代計算可得，下一步試驗過程中，對各種齒形做一些參數更改和優化，進一步減少進氣道密封結構試驗過程中泄露量。因此，對篦齒結構做試驗結果比較分析和模擬仿真計算，選擇合理的篦齒齒形，對于防止流體泄露有著重大的科研意義[3]。

3 結論

（1）篦齒齒形不同使得流體在篦齒結構中形成的渦流形狀不同，可形成不同的壓力場和流場，產生不同的密封效應；

（2）對研究的三種典型篦齒密封結構，直角三角形的篦齒齒形密封效果最佳，其次為等腰梯形密封齒形，最差為矩形齒形；

（3）通過對不同的篦齒結構進行分析與仿真計算，綜合比較各種齒形的優劣，對優化進氣道密封結構、研究進氣道進氣流場有著重要的指導意義，對開展航空發動機在高溫高壓環境下的試驗有著很大的幫助。

參考文獻：

[1]西安交通大學壓縮機教研室.活塞式壓縮機設計.西安：西安交通大學出版社，1979.

[2]戴樹元.活塞式壓縮機余隙容積計算公式.流體工程，1985.

[3]劉智勇.密封齒形對迷宮泄露量影響的數據分析.蘭州交通大學環境與市政工程學院，2012.