孫海龍/哈爾濱東安發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司民品發(fā)展部

冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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文章通過對燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)設(shè)計(jì)的研究，采用旋轉(zhuǎn)修正方法，使封嚴(yán)設(shè)計(jì)更接近燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，為燃?xì)廨啓C(jī)封嚴(yán)設(shè)計(jì)從理論到實(shí)際應(yīng)用提供了解決思路，使理論研究更好的應(yīng)用與工程實(shí)踐。

冷卻封嚴(yán)；封嚴(yán)設(shè)計(jì)；旋轉(zhuǎn)修正

前言

燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部工作環(huán)境的設(shè)計(jì)，它的任務(wù)是保證燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部合適的工作環(huán)境。冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和正常工作對燃?xì)廨啓C(jī)主要零部件的工作壽命、可靠性以及燃?xì)廨啓C(jī)的性能有著非常重要的影響，是燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)研制的重要環(huán)節(jié)之一。

隨著現(xiàn)代高性能燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，流路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。采用流體動力計(jì)算模型準(zhǔn)確分析計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的工作情況尤為重要。其計(jì)算步驟是：給定系統(tǒng)流路結(jié)構(gòu)尺寸、參數(shù)及其它有關(guān)氣動原始參數(shù),通過計(jì)算迭代，確定沿流程各節(jié)流單元的流量分配，計(jì)算出各腔室或部位的壓力和溫度。

一、冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的功能與組成

1.燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的功能。內(nèi)流冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)的工作中起著內(nèi)部冷卻、封嚴(yán)空氣及調(diào)整轉(zhuǎn)子軸向力等重要作用，是保證燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到性能指標(biāo)并為燃?xì)廨啓C(jī)提供可靠工作環(huán)境的重要系統(tǒng)之一。

為保證燃?xì)廨啓C(jī)安全有效工作，冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)具有以下幾項(xiàng)重要功能：

a)對主通道封嚴(yán)，防止主通道熱燃?xì)膺M(jìn)入盤腔內(nèi)部；

b)冷卻渦輪盤，保持適當(dāng)?shù)偷臏u輪盤溫度；

c)冷卻燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子，保證轉(zhuǎn)子合適的工作溫度；

d)為空氣軸承提供工作氣膜；

e)調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子軸向載荷，保證止推軸承有合適的軸向載荷。

2.燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的組成。為實(shí)現(xiàn)上述功能,燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)包括兩個組成部分：第一部分為渦輪盤的冷卻與封嚴(yán)系統(tǒng)，這部分流路同時起到平衡轉(zhuǎn)子軸向力的作用；第二部分為空氣軸承工作引排氣系統(tǒng)，這部分流路同時對燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。

二、燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的幾個因素

為實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)上述幾項(xiàng)功能，在冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮了如下幾個因素：

a)篦齒封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)間隙、封嚴(yán)齒數(shù)設(shè)計(jì)：篦齒封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)間隙直接影響壓氣機(jī)出口盤腔的引氣量以及篦齒封嚴(yán)環(huán)前后腔的壓力分布。引氣量影響盤風(fēng)阻產(chǎn)生的溫增量，進(jìn)而對渦輪盤的冷卻產(chǎn)生影響。篦齒封嚴(yán)環(huán)前后腔的壓力分布直接影響轉(zhuǎn)子軸向力的大小。

b)篦齒封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)半徑設(shè)計(jì)：篦齒封嚴(yán)環(huán)封嚴(yán)半徑影響篦齒封嚴(yán)環(huán)前、后腔壓力所產(chǎn)生軸向力的面積。在其他條件不變的情況下，封嚴(yán)半徑增大，則冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)產(chǎn)生向后的軸向力增大。

c)引氣流量確定：在保證冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)正常工作的前提下，冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少引氣量。減小引氣量的措施包括增加節(jié)流裝置、減小漏氣間隙和減小封嚴(yán)間隙等。

d)壓氣機(jī)盤前排氣流路設(shè)計(jì)：該處為轉(zhuǎn)子件與靜子件配合，完全沒有間隙是不可能的，故會有一定量的間隙漏氣，但應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)子件與靜子件之間的間隙。

三、計(jì)算方法

燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)是由各種不同種類的節(jié)流單元串聯(lián)和并聯(lián)組成的復(fù)雜流動系統(tǒng)，根據(jù)一元等熵流，對每個節(jié)流單元建立動量方程、能量方程以及連續(xù)方程，形成整個流動系統(tǒng)的非線性方程組，采用離散延拓法求解非線性方程得到每個節(jié)流單元的流量,每個腔室的壓力和溫度。計(jì)算中適當(dāng)考慮了氣流旋轉(zhuǎn)、粘性、風(fēng)阻溫增及氣流摻混等因素的影響。

1.旋轉(zhuǎn)修正。計(jì)算中遇到節(jié)流孔相對于進(jìn)口氣流是旋轉(zhuǎn)的情況，如輪盤的通氣孔、軸上的通氣孔等，這樣氣流進(jìn)入節(jié)流孔的方向與孔的中心線有一定的角度，使氣流的流通面積減小、流量減少。在計(jì)算中，將這種旋轉(zhuǎn)的影響歸結(jié)為對流量系數(shù)μ的影響，也就是對摩阻系數(shù)K的影響。進(jìn)行修正時，先求出靜止孔的摩阻系數(shù)K，并根據(jù)摩阻系數(shù) K 與流量系數(shù)?的關(guān)系

式：

求出靜止孔的流量系數(shù)；再根據(jù)試驗(yàn)提供的轉(zhuǎn)動孔的與靜子孔的比值隨Ro變化的關(guān)系曲線確定；最后求出。

其中

式中，ω為旋轉(zhuǎn)角速度；r為旋轉(zhuǎn)半徑；P為壓力；F為面積；R為氣體常數(shù)；G為流量；T為溫度。

2.風(fēng)阻功率與溫升。氣流通過旋轉(zhuǎn)的盤軸系的腔道，由于粘性的存在，形成的風(fēng)阻阻力對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻力力矩。

假設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)克服上述力矩所做的功W全部被氣流吸收，則空氣的溫升可由下式求出

3.冷氣混合溫度。在冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，若干腔室由多支流路匯合而成，各支流路空氣的溫度在匯合前通常是不同的，其匯合后的溫度按理想均勻混合計(jì)算，即：

四、設(shè)計(jì)

冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子軸向力調(diào)節(jié)是一個相互迭代的過程。為進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸向力調(diào)節(jié)，首先需進(jìn)行冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)計(jì)算，再用冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)計(jì)算出的腔室壓力計(jì)算軸向力。然后根據(jù)軸向力大小及方向修正冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并重新進(jìn)行冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)和軸向力的計(jì)算。

燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)進(jìn)行了多個設(shè)計(jì)方案的流體動力計(jì)算。包括篦齒間隙調(diào)整計(jì)算、篦齒齒數(shù)調(diào)整計(jì)算、篦齒封嚴(yán)半徑調(diào)整計(jì)算及渦輪盤緣缺口設(shè)計(jì)計(jì)算。

其中篦齒間隙及篦齒齒數(shù)調(diào)整一方面可以調(diào)節(jié)篦齒盤前后腔的壓力分布，進(jìn)而調(diào)節(jié)軸向力，另一方面可以調(diào)節(jié)引氣量。

篦齒封嚴(yán)半徑影響篦齒封嚴(yán)環(huán)前后腔壓力產(chǎn)生軸向力的面積，在其他條件不變的情況下，封嚴(yán)半徑增大，則冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)產(chǎn)生向后的軸向力增大。渦輪盤緣缺口大小影響軸向力受力面積，缺口最低半徑影響冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)感受的反壓。計(jì)算引入缺口渦輪盤當(dāng)量半徑R的概念，即有缺口渦輪盤的軸向力受力面積相當(dāng)于半徑為R的圓盤面積。

五、結(jié)論

本文主要介紹了冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正題方案設(shè)計(jì)，計(jì)算中考慮了旋轉(zhuǎn)修正和風(fēng)阻溫升，但沒有考慮盤等固體件向氣流的傳熱。在進(jìn)行零組件溫度計(jì)算時，會進(jìn)行氣流與零件之間的溫度迭代計(jì)算。所選用的摩阻損失公式參考了國內(nèi)、外的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果?？梢哉J(rèn)為計(jì)算結(jié)果基本反映了燃?xì)廨啓C(jī)冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的情況，可以作為進(jìn)行熱分析、強(qiáng)度分析及軸向力計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。

需要說明的是，燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際工作過程中轉(zhuǎn)、靜子引排氣間隙與設(shè)計(jì)的間隙值可能會存在一定偏差，而且篦齒的實(shí)際工作間隙也很難保證與設(shè)計(jì)的封嚴(yán)間隙完全相同。這些因素會造成計(jì)算情況與燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際工作情況存在一定差異，在燃?xì)廨啓C(jī)試車過程中進(jìn)行腔溫腔壓測量。而且，由于冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)計(jì)算采用的邊界條件也很難保證完全與實(shí)際情況相符，計(jì)算與燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際工作狀況存在差異是不可避免的，計(jì)算結(jié)果必然會存在一定誤差。