带浮升力垫片的指式封严泄漏与浮升力特性的数值研究-工程热物理专业论文.docx

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Energy and Power Engineering Investigation on Leakage and Lifting-force Characteristics of Finger Seal with Lifting-pads A Thesis in Thermal Physics Engineering by Cao Jing Advised by Professor Ji Honghu Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering January 2012 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学 可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 南京航空航天大学硕士学位论文 带浮升力垫片的指式封严泄漏与浮升力特性的数值研究 带浮升力垫片的指式封严泄漏与浮升力特性的数值研究 I I PAGE PAGE IV 摘 要 指式封严是继篦齿封严和刷式封严之后发展起来的一种新型封严技术，它可应用于航空发 动机中压气机与涡轮级间的气路密封。它利用多个封严片交错叠合以使指梁间的间隙被相邻封 严片上的指梁所遮挡，增加了流体阻力，从而减小泄漏量。 最早提出的指式封严是基本型指式封严，它与转子一般是过盈配合，在两者接触面间产生 摩擦热，摩擦热会引起结构中气流的局部温度升高，降低了指式封严结构的耐久性和使用寿命， 因此，本文对基本型指式封严过盈配合时结构中的气流流动与传热特性进行了研究。 20 世纪 90 年代末，国外一些学者开始对 “带浮升力垫片的指式封严”结构展开研究，不 同于基本型指式封严的是，它的低压指尖靴沿轴向有一定的延伸长度（称作浮升力垫片），主要 依靠进气压力或转子的高速旋转使浮升力垫片的下表面产生径向压力（浮升力），以形成流体间 隙来避免指尖靴与转子之间的磨损，这样便解决了基本型指式封严所存在的摩擦、磨损问题。 因此，本文对带浮升力垫片的指式封严结构的泄漏和浮升力特性进行了数值研究。 本文的研究工作如下： 首先，对国内外有关指式封严结构的文献资料进行了综合分析，总结出了影响指式封严结 构泄漏特性和传热特性的各种因素。 其次，建立并利用多孔介质模型，以摩擦热为热源，对基本型指式封严过盈配合时结构中 的气流流动与传热特性进行了数值研究。研究结果表明：气流最高温度出现在指尖靴后部与转 子摩擦接触面处，而且最高温度随安装过盈量和转子转速的增大而增大，随压差的增大而减小。 最后，为了解决基本型指式封严存在的摩擦生热问题，设计了带浮升力垫片的指式封严结 构，并建立它的三维计算模型，对其泄漏和浮升力特性进行了数值研究，分析了压差等因素对 泄漏量的影响，还分析了浮升力垫片下表面附近的流线分布和下表面上的压力分布随封严间隙 等因素的变化规律。研究结果表明：总泄漏量随封严间隙和压差的增加而增大，泄漏系数值随 进出口压差的增大而增大，但其增量逐渐变小；转子线速度对总泄漏量和泄漏系数几乎无影响； 增加高压封严片层数对总泄漏量的减小有一定作用，但不是很显著；该结构的泄漏特性好于基 本型指式封严；转子旋转是引起浮升力垫片下表面上的压力分布不对称的根本原因；进出口压 差对浮升力大小的变化影响明显，而对压力分布的不对称性影响不大；封严间隙越小，浮升力 越大，而且压力分布的不对称性越明显；浮升力系数随压差的增大而减小；封严间隙越大，浮 升力系数越小；浮升力系数随转子线速度的增大而减小，封严间隙越小这种趋势越明显。 关键词：指式封严，泄漏系数，温度分布，流线分布，浮升力系数 ABSTRACT Finger seal is new developed sealing technology after labyrinth seal and brush seal, which can be used in compressor and turbine in order to decrease leaka