間隙阻尼結(jié)構(gòu)對輪緣密封封嚴效率和氣動性能影響的數(shù)值研究

摘要：為提高燃氣輪機透平輪緣密封封嚴效率，以某型燃氣透平第一級動靜葉柵和動葉前盤腔輪緣密封為研究對象，設計了4種間隙阻尼輪緣密封結(jié)構(gòu)，在5種工況下對比了原始結(jié)構(gòu)和4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)的封嚴效率、非定常流動特征和盤腔下游動葉通道出口的總壓損失系數(shù)。結(jié)果表明：在5種工況下， 4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)的封嚴效率均優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)，間隙內(nèi)動盤凸肩結(jié)構(gòu)的封嚴效率最高，其次為靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)；與原始結(jié)構(gòu)相比，5種工況下動盤凸肩結(jié)構(gòu)在外腔靜盤面測點處封嚴效率分別提高了47.1%、51.6%、32.4%、25.4%和26.2%；從流動機理角度分析，凸肩結(jié)構(gòu)縮短了輪緣間隙長度，限制了燃氣入侵通流面積，同時凸肩結(jié)構(gòu)內(nèi)的微小通道內(nèi)形成了許多渦系，增大了燃氣向內(nèi)入侵的流動阻力，使封嚴效率大幅提高；在5種工況下，動盤凸肩結(jié)構(gòu)在動葉柵出口端部的總壓損失系數(shù)與原始結(jié)構(gòu)相比分別增大了2.2%、1.6%、1.6%、2.5%和3.0%，相較于該結(jié)構(gòu)大幅提高盤腔封嚴效率的表現(xiàn)而言，增加的氣動損失相對較小。

關(guān)鍵詞：燃氣透平；輪緣密封；阻尼結(jié)構(gòu)；封嚴性能；總壓損失

中圖分類號：TK474.7 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202505014 文章編號：0253-987X（2025）05-0143-13

Numerical Study on Effects of Clearance-Damping Structure on the

Sealing Effectiveness and Aerodynamic Performance of Rim Seal

LEI Long¹， QU Jie^1，2，3， GAO Qing^1，3， LI Zhigang²， LI Jun²

（1. Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co.， Ltd.， Xi’an Thermal Power Research Institute Co.， Ltd.， Xi’an 710054， China; 2 Institute of Turbomachinery， Xi’an Jiaotong

University， Xi’an 710049， China; 3. State Key Laboratory of High-Efficiency Flexible Coal Power Generation and Carbon Capture Utilization and Storage， Beijing 102209， China）

Abstract：In order to further improve the sealing effectiveness of rim seals in gas turbines， with the focus of the stationary and rotating blade cascades of the first stage， as well as the rim seal of the front disk cavity of the moving blades in a certain type of gas turbine， four clearance-damping rim seal structures are designed. Under five seal coolant flow rate operating conditions， the sealing effectiveness， unsteady flow characteristics， and total pressure loss coefficient at the downstream moving blade passage of the original structure and the four clearance-damping structures were compared. The results show that under the five operating conditions， the sealing effectiveness of the four clearance-damping structures is superior to that of the original structure. The rotor protruding shoulder structure in the clearance exhibits the best sealing performance， followed by the stator protruding shoulder structure and the rotor groove structure. Compared with the original structure， under the five operating conditions， the average sealing effectiveness of the rotor protruding shoulder structure at the monitoring point on stator surface of the outer cavity increases by 47.1%， 51.6%， 32.4%， 25.4%， 26.2%， respectively. From the perspective of the flow mechanism， the protruding shoulder structure shortens the rim clearance length and restricts the flow area for gas ingestion. Meanwhile， numerous vortices form within the micro-channels of the protruding shoulder structure， increasing the flow resistance for gas ingestion inward， thereby significantly improving the sealing effectiveness. Under the five operating conditions， the total pressure loss coefficients at the blade cascade exit endwall region for the rotor protruding shoulder structure increase by 2.2%， 1.6%， 1.6%， 2.5%， 3.0%， respectively， compared with the original structure. Compared with the significant improvement in cavity sealing effectiveness achieved by this structure， its impact on aerodynamic losses is relatively small.

Keywords：gas turbine; rim seal; damping structure; sealing effectiveness; total pressure loss

燃氣透平主流高溫燃氣在葉柵通道內(nèi)部流動時會通過轉(zhuǎn)靜間隙入侵輪盤空腔直接沖擊輪盤壁面，使輪盤熱負荷顯著上升，嚴重削弱了其穩(wěn)定性和使用壽命。將密封結(jié)構(gòu)設計在盤腔輪緣處，可以阻擋高溫燃氣通過間隙直接入侵輪盤空腔，并從壓氣機中抽取部分冷氣引至盤腔經(jīng)過輪緣間隙射入主流，冷卻和保護輪盤壁面，同時阻礙高溫燃氣向內(nèi)入侵。輪緣密封作為二次空氣系統(tǒng)的重要組成部分，對保護熱端部件和提高透平效率發(fā)揮著重要作用。

學者們針對輪緣密封結(jié)構(gòu)開展了廣泛的研究工作。英國巴斯大學的Sangan等^［1-2］針對簡單軸向、簡單徑向、雙重軸向和雙重徑向等輪緣密封基本構(gòu)型開展了理論研究和實驗測量研究。基于此研究，后續(xù)研究人員致力于發(fā)展高保真的數(shù)值預測方法，針對4種基本構(gòu)型開展了更加精細化的封嚴機理和間隙流動的研究。吳康等^［3］提出了帶有動葉前盤腔的單級透平數(shù)值預測方法，對簡單軸向、簡單徑向和雙重徑向密封3種構(gòu)型開展研究。陶加銀等^［4］提出了基于附加變量法的非定常雷諾平均納維-斯托克斯（URANS）方程數(shù)值方法。Xie等^［5］采用求解URANS方程和SST k-ω湍流模型的數(shù)值方法，對比研究了單級透平模型前盤腔簡單軸向和徑向密封結(jié)構(gòu)的封嚴效率。Cong等^［6］提出了基于多組分氣體的URANS數(shù)值方法，分析了帶有前后盤腔的1.5 級透平葉柵模型的輪緣密封機理。

Juangphanich等^［7］采用型線設計結(jié)合遺傳算法對簡單軸向密封結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化研究，得到了最優(yōu)的輪緣間隙幾何形狀。Lee等^［8］提出了在靜盤上采用波浪型線的輪緣密封結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與初始結(jié)構(gòu)相比封嚴效率有顯著提升。Cho等^［9］設計了錐形輪緣間隙通道，通過瞬態(tài)實驗方法測量了輪緣密封結(jié)構(gòu)的絕熱性能。Popovíc等^［10］通過實驗和數(shù)值方法對比研究了11種工業(yè)界采用的輪緣密封結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有再循環(huán)區(qū)輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴效率較好。Zhang等^［11］提出了兩種復合密封結(jié)構(gòu)，并與基礎結(jié)構(gòu)開展了對比數(shù)值研究。Zhang等^［12-13］設計了帶鉤海豚鼻和帶空腔海豚鼻兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明帶鉤海豚鼻結(jié)構(gòu)和帶空腔結(jié)構(gòu)均能提高封嚴效率。周小兵等^［14］提出了在徑向封嚴齒上打孔的密封結(jié)構(gòu)，并研究了孔徑和孔心距對封嚴性能的影響。Scobie等^［15］設計了天使翼型輪緣密封結(jié)構(gòu)，實驗驗證了提高封嚴效率的作用機制。

科研人員將用于軸封的阻尼結(jié)構(gòu)設計成輪緣密封。高慶等^［16-17］設計了蜂窩孔阻尼輪緣密封結(jié)構(gòu)，在相同流量下封嚴性能最大可提高67%。Cheng等^［18-19］在徑向密封結(jié)構(gòu)的封嚴齒表面設計了多種槽型阻尼結(jié)構(gòu)，研究表明周向槽中雙槽結(jié)構(gòu)的封嚴性能最佳，軸向槽達到完全封嚴所需的封嚴冷氣量最小。

輪緣密封的封嚴冷氣通過間隙射入主流后，會對主流的氣動、傳熱和冷卻產(chǎn)生影響。Reid等^［20］指出，穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算可以預測密封冷氣對氣動性能的影響。McLean等^［21-22］實驗測量得出，輪緣密封冷氣射入主流后會增大通道內(nèi)二次流強度，并使邊界層變厚，增大級的氣動損失。高慶等^［23-24］通過URANS數(shù)值分析指出，漸闊傾斜間隙的級氣動損失最小，圓形間隙型線結(jié)構(gòu)下透平級的氣動性能及封嚴冷氣對端壁的冷卻效果最佳。Zhang等^［25］數(shù)值分析了3種輪緣封嚴構(gòu)型下冷氣出流對下游葉柵氣動特性的影響，發(fā)現(xiàn)增加冷氣流量會增大主流內(nèi)二次流強度，增加流動損失。Chilla等^［26］對輪緣密封結(jié)構(gòu)的改型設計，驗證了新結(jié)構(gòu)能減小主流燃氣侵入輪緣間隙，提升氣動效率。Schflein等^［27］對1.5級透平模型第一級靜葉型面及端壁造型開展了優(yōu)化設計，指出封嚴冷氣射流會使優(yōu)化設計所獲得的級效率收益降低，但與初始相比，級總體效率仍提高了0.38%。Popovi? 等^［28］發(fā)現(xiàn)氣動損失的增加和封嚴冷氣流量之間是非線性的，封嚴冷氣僅提供了非常有限的冷卻作用。

雖然國內(nèi)外學者對燃氣透平輪緣密封性能開展了深入研究工作，但仍缺乏針對運行工況下實際燃氣透平級的帶阻尼結(jié)構(gòu)的輪緣密封封嚴效率、輪緣密封間隙內(nèi)非定常流動特征和封嚴冷氣出流作用下，下游葉柵通道總壓損失變化機制等的研究報道。本文以某型燃氣透平的第一級動靜葉柵和動葉前盤腔輪緣密封為研究對象，提出新型間隙阻尼輪緣密封結(jié)構(gòu)設計方法， 對比分析原始結(jié)構(gòu)和4種間隙阻尼輪緣密封結(jié)構(gòu)在5種工況下的封嚴效率和非定常流動，為高性能輪緣密封結(jié)構(gòu)設計提供參考。

1 計算模型和數(shù)值方法

1.1 計算模型

基于雷隆等^［29］提出的1.5級燃氣透平輪緣密封分析模型及其設計的前后盤腔輪緣封嚴結(jié)構(gòu)，以燃氣透平第1級動靜葉柵及前盤腔輪緣密封結(jié)構(gòu)為研究對象，自主設計了前盤腔輪緣間隙內(nèi)的阻尼密封結(jié)構(gòu)，建立了單級透平靜轉(zhuǎn)盤腔間隙阻尼輪緣密封分析模型。

圖1給出了單級透平靜轉(zhuǎn)盤腔輪緣密封模型的子午面結(jié)構(gòu)，盤腔內(nèi)設置雙重封嚴齒進行徑向封嚴，這一設計將盤腔劃分為3個區(qū)域，沿徑向向內(nèi)第一級封嚴齒上方為外腔，外腔與主流通道的過渡段采用斜坡結(jié)構(gòu)，冷氣來流后進入第二級封嚴齒下方的內(nèi)腔區(qū)域，兩級封嚴齒之間的腔室為緩沖腔室。表1詳細列出了盤腔輪緣密封的各項幾何參數(shù)。表中所列各項均與圖1中符號相對應。S_f，ax表示輪緣處密封的軸向間隙；S_f，rad表示封嚴齒徑向間隙；S_f，overlap表示封嚴齒重疊間隙；S_f表示盤腔寬度；b_f表示盤腔輪緣處的半徑；上標1、2分別表示沿徑向向內(nèi)第一級、第二級密封齒。

圖2給出了原始結(jié)構(gòu)和4種新型間隙阻尼輪緣密封結(jié)構(gòu)。在輪緣間隙位置處的動、靜盤面分別設計成凹槽和凸肩結(jié)構(gòu)，對燃氣入侵和冷氣出流流動產(chǎn)生影響，進而引起盤腔內(nèi)部封嚴效率的變化。間隙阻尼結(jié)構(gòu)的中凹槽和凸肩的幾何尺寸保持相同，寬為3 mm，高為3.6 mm，間隙為1.5 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用NUMECA AutoGrid 5生成多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖3給出了透平主流和4種間隙阻尼輪緣密封計算網(wǎng)格。所有區(qū)域的網(wǎng)格最大膨脹比均小于3，最大長寬比均小于5 000，最小正交角均大于20°，滿足計算要求。

定義封嚴冷氣質(zhì)量流量比M為

M=_c0（1）

式中：₀為主流進口質(zhì)量流量；_c為冷氣進口質(zhì)量流量。

定義封嚴效率ε_c

ε_c=c－c₀c_c－c₀（2）

式中：c_c為冷氣進口CO₂體積分數(shù)；c為測點處CO₂體積分數(shù)；c₀為主流進口CO₂體積分數(shù)。

以帶有原始封嚴結(jié)構(gòu)的單級透平輪緣密封模型為例，在M=0.75%工況下開展網(wǎng)格無關(guān)性驗證，4種網(wǎng)格數(shù)分別為88萬、193萬、370萬和585萬。計算結(jié)果如圖4所示，當網(wǎng)格數(shù)大于370萬時，輪緣間隙內(nèi)監(jiān)測點處的封嚴效率偏差在1%以內(nèi)，因而選擇370萬網(wǎng)格數(shù)開展后續(xù)研究。

1.3 數(shù)值方法及驗證

表2列出了計算過程中所使用的邊界條件，復現(xiàn)了透平高溫高壓運行工況，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，選擇5種封嚴冷氣量工況對比分析單級透平阻尼輪緣密封的封嚴效率。

利用ANSYS CFX軟件開展瞬態(tài)計算，主流通道兩側(cè)設置旋轉(zhuǎn)周期性邊界，將整周透平簡化為1個靜葉通道和2個動葉通道的計算模型。盤腔跟隨靜葉位于靜止域，轉(zhuǎn)盤壁面給定周向旋轉(zhuǎn)速度，主流通道內(nèi)動靜交界面設置在輪緣間隙下游靠近動葉一側(cè)。表3給出了數(shù)值計算方法設置。

數(shù)值計算時，先開展穩(wěn)態(tài)計算，將穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初場。穩(wěn)態(tài)計算時，動靜交界面方法設置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子法；瞬態(tài)計算時，交界面方法設置為瞬態(tài)轉(zhuǎn)靜子法。瞬態(tài)計算收斂后，從初始時刻開始重新計算，直至動葉旋轉(zhuǎn)1周，取1周的瞬態(tài)結(jié)果做算術(shù)平均統(tǒng)計，最終得到瞬態(tài)時均值。

定義無量綱封嚴冷氣流量系數(shù)Ф₀

Φ₀=_c2πρΩb²S_c，ax（3）

式中：ρ為盤腔冷氣進口的密度；Ω為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度；b為盤腔輪緣處的半徑；S_c，ax為輪緣半徑處密封軸向間隙。

瞬態(tài)計算前需開展時間步長無關(guān)性驗證。Cong等^［6］在3種時間步長下對透平前盤腔輪緣封嚴效率開展了計算：動葉旋轉(zhuǎn)一個動葉通道的時間步分別為5、10和20，前盤腔靜盤面r/b=0.958（r為測點處半徑）測點處時均封嚴效率分別為0.802 5、0.779 5、0.775 2。即當動葉通道的時間步長大于等于10時，封嚴效率變化很小，因而后續(xù)研究的時間步長設置為10。

利用上述的數(shù)值方法對透平前盤腔封嚴效率進行預測，并與Scobie等^［30］的實驗數(shù)據(jù)對比，計算模型與邊界條件均保持與Scobie等的實驗裝置相同。圖5對比了前盤腔靜盤面測點處時均封嚴效率的實驗和數(shù)值結(jié)果，兩者基本吻合，最大相對誤差僅有3.0%，表明本文計算方法能夠滿足數(shù)值研究輪緣密封封嚴性能精度要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 時均封嚴效率

選擇M=0.07%，0.15%，0.25%，0.50%，0.75% 共5種封嚴冷氣量工況，對應盤腔的無量綱封嚴冷氣流量Φ₀分別為0.001 6、0.003 4、0.005 6、0.010 7和0.015 9。

圖6對比了原始封嚴結(jié)構(gòu)和4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)在不同工況下靜盤面?zhèn)萺/b=0.988，0.958監(jiān)測點處的封嚴效率。5種結(jié)構(gòu)下在靜盤面?zhèn)葍蓚€監(jiān)測點的封嚴效率均隨著封嚴冷氣流量增加而逐漸增大。在靜盤面r/b=0.988監(jiān)測點處，不同結(jié)構(gòu)封嚴效率的最大值始終小于0.5，封嚴效率保持在較低水平；r/b=0.988監(jiān)測點處，對比4種輪緣間隙阻尼結(jié)構(gòu)，在5種工況下間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)具有最佳的封嚴性能，靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)次之。當無量綱封嚴冷氣流量Φ₀分別為0.001 6、0.003 4、0.005 6、0.010 7和0.015 9時，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在r/b=0.988監(jiān)測點處的封嚴效率與原始結(jié)構(gòu)相比分別提高了47.1%、51.6%、32.4%、25.4%和26.2%；靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)在r/b=0.988監(jiān)測點處的封嚴效率與原始結(jié)構(gòu)相比分別提高了21.8%、20.0%、10.7%、17.1%和23.4%；間隙動盤凹槽結(jié)構(gòu)在r/b=0.988監(jiān)測點處的封嚴效率與原始結(jié)構(gòu)相比分別提高了20.1%、17.0%、11%、7.4%和4.8%。間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)在Φ₀lt;0.010 7范圍內(nèi)的封嚴性能和原始結(jié)構(gòu)基本相同，而當Φ₀達到最大時，封嚴效率比原始結(jié)構(gòu)增大了9.6%，這表明間隙靜盤凸肩阻尼結(jié)構(gòu)在低冷氣流量下并不能提高外腔靜盤面封嚴效率，但在大封嚴冷氣流量（Φ₀＞0.010 7）時，該結(jié)構(gòu)可以提高外腔內(nèi)的封嚴性能。

靜盤面r/b=0.958監(jiān)測點位于盤腔第一級封嚴齒下方，對于5種結(jié)構(gòu)，在最小流量下r/b=0.958 監(jiān)測點處的封嚴效率均大于0.95，認為在本文研究的5種結(jié)構(gòu)和5種工況下，封嚴齒以下的盤腔區(qū)域均被完全封嚴。

圖7給出了當Φ₀=0.005 6時原始結(jié)構(gòu)和4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)的盤腔動、靜盤面在不同工況下的封嚴效率徑向分布。可以看出：不同間隙阻尼結(jié)構(gòu)下，內(nèi)腔和緩沖腔內(nèi)動、靜盤面上，封嚴效率普遍較高，均大于0.95；不同間隙阻尼結(jié)構(gòu)下，內(nèi)腔和緩沖腔內(nèi)動、靜盤面的封嚴效率基本相同，外腔內(nèi)動、靜盤面封嚴效率受到間隙阻尼結(jié)構(gòu)的顯著影響。

對于外腔靜盤面的封嚴效率徑向分布，隨著半徑的增大，封嚴效率略微有下降，對比不同結(jié)構(gòu)，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)封嚴效率最高，靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)次之，靜盤凸肩結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)的封嚴效率徑向分布最為接近；對于外腔動盤面，封嚴效率隨著半徑的增大逐漸減小，遠離輪緣間隙位置的封嚴效率最高，靠近輪緣間隙位置處封嚴效率最小；在輪緣間隙位置附近，不同間隙阻尼結(jié)構(gòu)下的封嚴效率存在顯著變化，遠離輪緣間隙位置處，不同結(jié)構(gòu)下的封嚴效率是大致相同的，整體而言動盤面?zhèn)乳g隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)封嚴效率最高。對比同一結(jié)構(gòu)下的動、靜盤面，可以發(fā)現(xiàn)動盤面?zhèn)鹊姆鈬佬室黠@高于靜盤面一側(cè)。

圖8對比了原始封嚴結(jié)構(gòu)和4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)在不同封嚴冷氣流量下外腔動、靜盤面上的面平均封嚴效率。可以看出，不同工況下外腔靜盤面的面平均封嚴效率與圖6（a）靜盤面?zhèn)萺/b=0.988監(jiān)測點處封嚴效率分布是相同的。間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)的外腔靜盤面面平均封嚴效率最高，其次為靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)。

對于外腔動盤面，面平均封嚴效率受封嚴冷氣流量的影響十分顯著，以原始結(jié)構(gòu)為例，當封嚴冷氣流量最小，即Φ₀=0.001 6時外腔動盤面面平均封嚴效率為0.56，當Φ₀增大到0.010 7時，動盤面面平均封嚴效率達到0.95以上。當Φ₀≤0.005 6時，不同阻尼結(jié)構(gòu)下動盤面面平均封嚴效率存在顯著差異，間隙動盤凸肩具有最高的面平均封嚴效率，靜盤凸肩動盤凹槽次之；當Φ₀gt;0.005 6時，不同阻尼結(jié)構(gòu)下的面平均封嚴效率差異變小，間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)面平均封嚴效率最高，其次為靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)。總體而言，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在5種工況下對動盤面均具有非常好的封嚴效果，與原始結(jié)構(gòu)對比，當Φ₀分別為0.001 6、0.003 4、0.005 6、0.010 7和0.015 9時，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)的動盤面面平均封嚴效率分別提高了12.6%、7.3%、3.2%、0.9%和0.1%。

2.2 非定常流動特征

定義盤腔的周向無量綱角度θ為

θ=φ－φ_minφ_max－φ_min（4）

式中：φ為測點處的周向角度；φ_min為盤腔周向角度最小值；φ_max盤腔周向角度最大值。

前盤腔輪緣間隙附近端壁表面的壓力系數(shù)為

C_p，f=p_s－p_s，2pt，0－p_s，2（5）

式中：p_s為測點處靜壓；p_s，2為動葉通道出口的靜壓；p_t，0為靜葉通道進口的總壓。

圖9給出了t₀時刻Φ₀=0.005 6時，不同阻尼結(jié)構(gòu)輪緣間隙上、下游5 mm處端壁壓力系數(shù)周向分布。受上游葉片尾緣高壓損失區(qū)影響，間隙上游5 mm尾緣對應位置存在1個高壓波峰；受動葉前緣滯止高壓區(qū)影響，在輪緣間隙下游5 mm處存在2個高壓力系數(shù)的波峰， 兩處波峰位置正對于下游動葉前緣。對比不同結(jié)構(gòu)可知：在上游5 mm處，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)的高壓波峰值最大， 靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)次之，其次為間隙動盤凹槽結(jié)構(gòu)，原始結(jié)構(gòu)下的波峰值最小；在下游5 mm處的兩個波峰值，不同結(jié)構(gòu)的壓力峰值同樣存在顯著差異。

為合理評估壓力系數(shù)峰值大小，將下游5 mm處兩波峰值取平均，將上、下游5 mm處共3個波峰值取均方根。不同結(jié)構(gòu)下的壓力系數(shù)峰值對比結(jié)果如圖10所示，對于上游5 mm處的壓力波峰值，動盤凹槽、動盤凸肩、靜盤凸肩和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)下的上游峰值分別比原始結(jié)構(gòu)高2.08%、5.77%、0.52%和4.48%，動盤凸肩結(jié)構(gòu)峰值最大。

對于下游5 mm處兩壓力系數(shù)波峰均值，動盤凹槽、動盤凸肩、靜盤凸肩和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)下的上游峰值分別比原始結(jié)構(gòu)高4.95%、3.59%、5.62%和3.61%；對于三峰值的均方根，與原始結(jié)構(gòu)對比，動盤凹槽、動盤凸肩、靜盤凸肩和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)分別比原始結(jié)構(gòu)高3.90%、4.84%、3.49%和4.03%。對比同一結(jié)構(gòu)下的波峰：間隙動盤凸肩和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)對上游5 mm處峰值的影響要顯著高于對下游5 mm處兩波峰均值；間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)對下游兩波峰均值的影響要顯著大于對上游5 mm處壓力系數(shù)峰值的影響；間隙動盤凹槽結(jié)構(gòu)對下游5 mm處兩波峰均值的影響要略大于對上游5 mm處壓力系數(shù)峰值的影響。

無論何種阻尼結(jié)構(gòu)，在上游壓力系數(shù)峰值、下游兩波峰均值和三峰值均方根都大于原始結(jié)構(gòu)，這是由于間隙阻尼結(jié)構(gòu)顯著阻礙了間隙附近主流燃氣的入侵流動，產(chǎn)生了較大流動損失，形成了高流動損失區(qū)域。前文提到間隙動盤凸肩和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)具有較好的封嚴性能，而兩者在上游5 mm處三峰值均方根也相對較大，這表明這兩種結(jié)構(gòu)對主流燃氣入侵流動有著較強的阻礙作用，能更為有效地抑制主流燃氣向內(nèi)入侵，而間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)的封嚴性能相對較差，該結(jié)構(gòu)下三峰值的均方根也是最小的，這表明這種結(jié)構(gòu)對主流燃氣入侵流動僅存在有限的限制作用。

圖11給出了不同間隙阻尼結(jié)構(gòu)下輪緣間隙監(jiān)測點處封嚴效率的快速傅里葉變換（FFT）結(jié)果，原始結(jié)構(gòu)和4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)下FFT結(jié)果的主導頻率均在2 800 Hz附近，對應的輪緣間隙內(nèi)流動特征的Kelvin-Helmholtz（K-H）非定常不穩(wěn)定性周期約為17個時間步長。但是，不同結(jié)構(gòu)FFT結(jié)果的主導頻率仍存在一定差距，原始結(jié)構(gòu)下的主導頻率是最大的，對應的時間步長最短，而其他阻尼結(jié)構(gòu)的主導頻率均比原始結(jié)構(gòu)要小，對應的時間步長略長。雷隆等^［29］發(fā)現(xiàn)，某型號透平前后盤腔輪緣間隙內(nèi)不穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的周期分別為18個和81個時間步長，后盤腔間隙內(nèi)的不穩(wěn)定性流動結(jié)構(gòu)的周向速度要遠遠小于前盤腔，而相對應的在相同冷氣流量下，前盤腔內(nèi)的封嚴效率要小于后盤腔。此處，4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)輪緣間隙內(nèi)的不穩(wěn)定性周期都要略大于原始結(jié)構(gòu)，這表明帶有間隙阻尼結(jié)構(gòu)的輪緣間隙內(nèi)K-H不穩(wěn)定性流動特征的周向流動速度要小于原始結(jié)構(gòu)，因而相應的這些阻尼結(jié)構(gòu)的封嚴性能也要優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)。

圖12給出了t₀時刻Φ₀=0.005 6時，不同阻尼結(jié)構(gòu)下輪緣間隙中分面上的封嚴效率分布和流線分布。在中分面上，存在一個大尺度的K-H不穩(wěn)定性渦結(jié)構(gòu)，在K-H渦附近，入侵輪緣間隙的燃氣和向外出流的封嚴冷氣發(fā)生強烈地摻混。對比不同結(jié)構(gòu)，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)在K-H不穩(wěn)定性渦結(jié)構(gòu)的下側(cè)區(qū)域（即外腔內(nèi)部區(qū)域）的封嚴效率更高；在K-H渦結(jié)構(gòu)核心處，入侵燃氣封嚴效率要更低，這表明此兩種阻尼結(jié)構(gòu)K-H渦強度更大，能夠更有力地卷吸封嚴冷氣和入侵燃氣，促進兩者的強烈摻混，阻礙入侵燃氣進一步向內(nèi)入侵。

圖13給出了t₀時刻Φ₀=0.005 6時，原始結(jié)構(gòu)下封嚴效率為0.05和0.30的等值面，用ε_c=0.05的等值面等效主流高溫燃氣入侵，用ε_c=0.30 的等值面等效封嚴冷氣的向外出流。從兩個封嚴效率的等值面確定燃氣入侵和冷氣出流最為顯著截面的周向位置，取此兩個截面開展分析工作。

圖14給出了t₀時刻Φ₀=0.005 6時，不同阻尼結(jié)構(gòu)下入侵和出流最為顯著的截面的流線和封嚴效率分布，可以看到無論何種結(jié)構(gòu)，在兩個截面上均可被劃分為左側(cè)靜盤面低封嚴效率區(qū)和右側(cè)動盤面高封嚴效率區(qū)。對比不同結(jié)構(gòu)，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)靜盤面?zhèn)鹊头鈬佬蕝^(qū)域的平均封嚴效率顯著高于其他結(jié)構(gòu)，且外腔內(nèi)封嚴效率ε_cgt;0.4區(qū)域的面積也要大于其他結(jié)構(gòu)，而靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)靜盤面?zhèn)鹊头鈬佬蕝^(qū)域的平均封嚴效率和封嚴效率ε_cgt;0.4區(qū)域的面積次之，但也要優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。

對比不同結(jié)構(gòu)的燃氣入侵截面，原始結(jié)構(gòu)下低封嚴效率區(qū)域面積是最大的；對于間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)，由于凸肩縮短了輪緣間隙的長度，限制了燃氣入侵通流面積，燃氣向內(nèi)入侵的動量不變，導致入侵燃氣要略微深入到腔內(nèi)，局部低封嚴效率區(qū)域面積略大于其他阻尼結(jié)構(gòu)，但局部低封嚴效率區(qū)域被約束限制在了輪緣半徑處的間隙出口附近；其他結(jié)構(gòu)則是部分燃氣已經(jīng)擴散侵入了外腔內(nèi)部，因而局部低封嚴效率區(qū)域略小一些。在輪緣間隙內(nèi)設置的阻尼結(jié)構(gòu)中存在很多因阻礙燃氣入侵流動形成的小渦旋，這些渦旋結(jié)構(gòu)耗散了主流高溫燃氣向內(nèi)入侵的部分動量。此外，在封嚴齒中間間隙中也存在一處旋渦結(jié)構(gòu)，該旋渦結(jié)構(gòu)阻礙限制了燃氣繼續(xù)向封嚴齒下方區(qū)域入侵。

對比不同結(jié)構(gòu)下冷氣出流截面，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)冷氣出流的寬度相對較窄一些，這是因為凸肩結(jié)構(gòu)部分阻擋了封嚴冷氣向外出流，冷氣需越過凸肩高度后才能向外流出。在原始結(jié)構(gòu)下，由于動盤面上不存在阻尼結(jié)構(gòu)，因而沿動盤面出流的冷氣可以完全覆蓋輪緣間隙及靠近端壁的動盤面，而在間隙動盤凹槽、間隙動盤凸肩和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)中，由于在動盤面?zhèn)仍O置了凹槽和凸肩，存在部分間隙無法被冷氣覆蓋和冷卻，但總體而言，這些未被冷氣覆蓋的面積較小，影響也相對較小。

綜上所述，可從流動結(jié)構(gòu)方面得出4種新型間隙阻尼結(jié)構(gòu)提高輪緣密封封嚴性能的機理：對于間隙動盤凹槽等凹槽類阻尼結(jié)構(gòu)，一方面凹槽延長了燃氣入侵的流動路徑，另一方面凹槽內(nèi)形成了眾多渦系，增大了燃氣入侵流動阻力，兩種方式共同作用大大提高了腔內(nèi)整體的封嚴性能。

對于兩種凸肩類阻尼結(jié)構(gòu)，一方面凸肩縮短了輪緣間隙，限制了燃氣入侵的通流面積，另一方面凸肩的小間隙內(nèi)也形成了眾多渦系，增大了燃氣向內(nèi)入侵的流動阻力，兩種方式共同作用使封嚴性能大幅提高。與間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)相比，間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)整體的封嚴表現(xiàn)較差，這是因為：原始結(jié)構(gòu)下主流高溫燃氣會沖擊輪緣間隙處動盤面上側(cè)的斜坡；在沖擊斜坡后高溫氣流分為兩股，一股沿坡面向上匯入主流，另一股則沿坡面向下流動入侵盤腔^［29］；當凸肩布置在靜盤面一側(cè)后，對沿著間隙處的動盤斜坡面向內(nèi)入侵燃氣的流動阻力大幅減小，因而其整體的封嚴性能表現(xiàn)比間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)差。

靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)綜合了凸肩和凹槽兩類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：在間隙動盤凹槽的基礎上，向靜盤一側(cè)設置凸肩后，既縮短了輪緣間隙，限制了燃氣入侵的通流面積，又顯著增加了對靠近靜盤側(cè)向內(nèi)入侵燃氣的流動阻力，因而其整體的封嚴性能要優(yōu)于間隙動盤凹槽結(jié)構(gòu)。由于不同結(jié)構(gòu)受冷氣流量影響，達到最佳封嚴性能的工況不同，且通過阻尼結(jié)構(gòu)增大入侵燃氣的流動阻力存在邊際遞減效應，因此凸肩凹槽兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合并未達到“1+1gt;2”的效果。

2.3 氣動性能分析

定義無量綱徑向位置R為

R=r－r_minr_max－r_min（6）

式中：r_min為所在平面的半徑最小值；r_max為所在平面的半徑最大值。

定義前盤腔封嚴冷氣影響下動葉出口總壓損失系數(shù)ξ_f為

ξ_f=_t，1－P_tt，1－_s，2（7）

式中：_t，1為動葉柵進口平面的平均總壓；P_t為測點處總壓；_s，2為動葉柵出口平面的平均靜壓。

圖15給出了當Φ₀=0.005 6時不同結(jié)構(gòu)下動葉出口的周向平均總壓損失系數(shù)沿葉高方向的分布。在動葉出口平面上，靠近上下端壁側(cè)的下通道渦和上通道渦位置處局部的總壓損失系數(shù)較高，其中下通道渦處產(chǎn)生的氣動損失更大。不同結(jié)構(gòu)對于動葉出口氣動損失的影響主要在0lt;Rlt;0.3范圍內(nèi)：在0lt;Rlt;0.1范圍內(nèi)，4種阻尼結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)都要明顯高于原始結(jié)構(gòu)；在R=0.1時，不同結(jié)構(gòu)下的總壓損失系數(shù)基本相等；在0.1lt;Rlt;0.3范圍內(nèi)，間隙動盤凹槽結(jié)構(gòu)的總壓損失系數(shù)略大于其他結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)的氣動損失大致相同。總體而言，增加阻尼結(jié)構(gòu)后，盤腔下游動葉出口的氣動損失也增大了。

定義_f為面積平均的總壓損失系數(shù)。圖16給出了5種工況不同結(jié)構(gòu)下在動葉出口0lt;Rlt;0.3范圍內(nèi)的面積平均總壓損失系數(shù)分布。在5種工況下，增加阻尼結(jié)構(gòu)后，盤腔下游動葉出口的氣動損失都明顯增大了。當M≤0.25%時，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)中的動葉出口端部面平均氣動損失最小；當M≥0.50%時，間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)在4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)中的動葉出口端部面平均氣動損失最小。

根據(jù)前文所述，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)中是封嚴性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，應當綜合考慮采用該結(jié)構(gòu)造成的下游動葉柵氣動性能的下降。根據(jù)圖16，當M為0.07%、0.15%、0.25%、0.50%、0.75%時，相較于原始結(jié)構(gòu)，采用間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)后動葉出口氣動損失分別增大了2.2%、1.6%、1.6%、 2.5%和3.0%，盡管該結(jié)構(gòu)在動葉出口截面端部引起了氣動損失的適度增加，但相較于其提高盤腔封嚴性能的顯著效果，其不利影響顯得相對微小且處于可接受范圍。因此，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在優(yōu)化輪緣封嚴性能方面的總體效益顯著大于其帶來的氣動損失。

3 結(jié) 論

（1）在5種封嚴冷氣流量下，4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)的封嚴性能表現(xiàn)均好于原始結(jié)構(gòu)，以盤腔動、靜盤面的整體封嚴效率表現(xiàn)作為評價指標，性能由高到底依次為間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)、靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)、間隙動盤凹槽結(jié)構(gòu)、間隙靜盤凸肩結(jié)構(gòu)、原始結(jié)構(gòu)。當無量綱冷氣流量Φ₀分別為0.001 6、0.003 4、0.005 6、0.010 7和0.015 9時，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在靜盤面r/b=0.988監(jiān)測點處的封嚴效率與原始結(jié)構(gòu)相比分別提高了47.1%、51.6%、32.4%、25.4% 和26.2%，動盤面面平均封嚴效率分別提高了12.6%、7.3%、3.2%、0.9%和0.1%。

（2）間隙內(nèi)阻尼結(jié)構(gòu)顯著阻礙了間隙附近主流燃氣的入侵流動，導致間隙附近上游或下游5 mm處壓力系數(shù)峰值有所增加。在所有結(jié)構(gòu)中間隙內(nèi)動盤凸肩結(jié)構(gòu)具有最佳的阻礙燃氣入侵作用。4種間隙阻尼結(jié)構(gòu)輪緣間隙內(nèi)的不穩(wěn)定性周期都要略大于原始結(jié)構(gòu)，且間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)和靜盤凸肩動盤凹槽結(jié)構(gòu)K-H不穩(wěn)定性渦結(jié)構(gòu)強度更大，能夠更有力地卷吸封嚴冷氣和入侵燃氣，促進兩者的強烈摻混。

（3）對于間隙動盤凸肩阻尼結(jié)構(gòu)，一方面凸肩結(jié)構(gòu)的存在縮短了輪緣間隙長度，限制了燃氣入侵的通流面積，另一方面凸肩結(jié)構(gòu)內(nèi)的間隙內(nèi)也形成了眾多渦系結(jié)構(gòu)，增大了燃氣向內(nèi)入侵的流動阻力，兩種方式共同作用使封嚴性能大幅提高。

（4）在5種工況下，增加阻尼結(jié)構(gòu)后，盤腔下游動葉出口的氣動損失都明顯增大。當質(zhì)量流量比分別為0.07%、0.15%、0.25%、0.50%和0.75%時，采用間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)后動葉出口氣動損失與原始結(jié)構(gòu)相比分別增大了2.2%、1.6%、1.6%、2.5%和3.0%，相較于該結(jié)構(gòu)大幅提高輪緣封嚴效率的顯著效果，可以認為間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)在優(yōu)化輪緣封嚴性能方面的總體效益顯著大于其帶來的氣動損失。

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（編輯 亢列梅）