旋轉指尖密封結構設計及泄漏性能仿真分析

（新鄉職業技術學院，現代設計與工程學院，河南新鄉市，453000）陳 莉

當前，航空技術快速進步，需要達到更大的推重比并且不斷降低油耗，因此需要有效克服航空發動機存在的密封泄漏問題[1]。指尖密封可以滿足轉子軸向與徑向跳動適應性，與篦齒密封方式相比可以獲得更良好的密封效果，與刷密封相比則可以有效降低制造成本，已引起眾多研究人員的密切關注[2-3]。

為滿足實際工程應用需求，需對指尖密封結構引起泄漏的因素進行深入分析。例如，王強[4]根據前期文獻報道的指尖密封多孔模型研究結果，在固體導熱基礎上設置了指尖梁間接觸傳熱的方式，針對指尖密封傳熱方式構建了模型，利用數值分析的方法評估了熱效應引起的指尖密封泄漏性變化。通過分析指尖密封側隙泄漏影響因素可知，在指尖梁表面存在許多粗糙的凹凸結構，兩個表面接觸后產生的細小孔隙尺寸比指尖梁縫隙尺寸更小，起到有效抑制泄漏的作用[5]。

目前關于指尖密封結構的研究多是考慮側隙泄漏的影響因素，對接觸界區域的孔隙處泄漏的研究不足。本文以流體經過密封指尖梁接觸界區域的孔隙處的泄漏作為側隙泄漏；同時利用多孔介質結構構建了多孔介質模型，構建了可以對指尖密封側隙泄漏進行分析的方法。

1 指尖密封結構設計

指尖密封結構的各組成部分，主要包括通過擋板夾持的指尖梁，相互間呈現交錯疊置的狀態，各指尖梁沿圓周方向從根圓處進行加工形成了許多呈現細長曲線形態的指尖梁[6]。圓的結構尺寸包括圓直徑De；外圓直徑Dw，根內圓直徑Dr。指尖梁的結構尺寸包括縫隙寬s，縫之間寬度fw；高度為hx，詳見圖1。

圖1 旋轉指尖密封結構示意圖

2 仿真模型

圖2可以看到以多孔結構進行指尖密封側隙泄漏測試的仿真范圍。

圖2 仿真模型

針對漸開線形式的指尖密封進行分析，表1we出了該結構的各項參數。采用GH4169鎳基合金制備指尖梁，該合金的彈性模量為206GPa，泊松比為0.31；后擋板與轉子則以GH605鈷基合金作為制造材料，對應的彈性模量為230GPa，泊松比為0.285。同時以空氣作為指尖密封介質。

表1 指尖密封主結構參數

3 結果分析

3.1 指尖密封流場分布

圖3是進行指尖密封側隙泄漏測試得到的壓力分布圖。在上述測試條件下得到的指尖密封側隙泄漏率為0.042g/s。

圖3 速度分布圖

由圖3分析可知，前擋板下游保護區中發生了流道寬度的迅速降低，引起流體速度的迅速增大。進入多孔介質區時，受孔隙影響，依然可以發現此時有流體運動，但因為受到小尺寸孔隙的節流作用，流體只能以很慢的速度進行流動，并且運動方向也存在較大差異。同時發現，后擋板對流體運動過程造成了一定的制約，引起運動速度的快速增大。

圖3 1#樣品彈性模量G'和粘性模量G”變化曲線圖

3.2 指尖梁影響因素分析

3.2.1 指尖梁表面紋理

設定壓差為0.3MPa、轉子位移激勵為15μm、粗糙度為1.5μm的情況下，表2顯示了不同指尖梁表面紋理方向下的主流道與側隙泄漏程度及其對總泄漏造成的影響。隨著指尖梁表面由橫向紋理轉變為縱向紋理的過程中，形成了基本穩定的主流道泄漏，而側隙泄漏則發生了持續增大。在指尖梁表面形成橫向紋理特征后，因為粗糙峰脊方向垂直于流體方向，流體只能穿過有限的粗糙峰脊，對應的流通面積也很小，導致流動阻力明顯提高，因此只在指尖密封側發生很少的泄漏；在指尖梁表面形成縱向分布的紋理時，粗糙峰脊的方向也跟流體的流動方向相同，流體可以通過粗糙峰脊間的凹谷通道，從而顯著降低了流動阻力，產生了更大的側隙泄漏。

根據表2所示的不同指尖梁表面粗糙度紋理方向下的主流道與側隙泄漏比例。結果發現，隨著指尖梁表面由橫向紋理逐漸轉變為縱向紋理的過程中，獲得了更小的主流道泄漏比例，而側隙泄漏則發生了明顯提高。這是因為指尖梁表面由橫向紋理轉變至縱向紋理的時候，發生了流體阻力的降低，引起更明顯的指尖密封側隙泄漏。

表2 泄漏參數隨指尖梁表面紋理變化

3.2.2 上下游壓差

表3為不同上下游壓差的情況下泄漏狀態變化。結果表明，逐漸增大指尖密封上下游壓差時，主流道、側隙都發生了增大的變化趨勢。逐漸提高上下游壓差時，除了產生更明顯指尖密封現象以外，還引起指尖靴底和轉子徑向形成了更大的泄漏間隙，并使流體獲得了進入徑向泄漏間隙的更大驅動力，使得指尖密封上下游壓差提高后，在主流道中產生了更大程度的泄漏。隨著主流道與側隙泄漏提高后，指尖密封也達到了更高的總泄漏。

根據表3所示，不同上下游壓差條件下的主流道與側隙泄漏比。逐漸提高上下游壓差之后，發生了主流道泄漏比降低的現象，同時引起側隙泄漏比增大的結果。這是因為提高指尖密封上下游壓差后，側隙泄漏發生了更快增長而引起的。

表3 泄漏參數隨上下游壓差變化

4 結論

利用多孔介質結構構建了多孔介質模型，構建了對指尖密封側隙泄漏進行分析方法。前擋板下游保護區中發生了流道寬度的迅速降低，引起運動速度的快速增大。隨著指尖梁表面由橫向紋理轉變為縱向，形成穩定主流道泄漏，側隙泄漏持續增大，獲得更小主流道泄漏比例，側隙泄漏明顯提高。逐漸增大指尖密封上下游壓差時，主流道、側隙增大，主流道泄漏比降低，側隙泄漏比增大。