蔡 毅 李 靜

(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司試驗(yàn)驗(yàn)證中心 上海 201306)

篦齒迷宮式封嚴(yán)在很長時間是航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)密封的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，這種封嚴(yán)方式可靠性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，但泄漏量較大，作為替代結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。研究和應(yīng)用結(jié)果表明，同樣0.7 mm封嚴(yán)間隙，刷式封嚴(yán)能將泄漏量降低至迷宮式封嚴(yán)的10%；裝機(jī)試驗(yàn)顯示使用刷式封嚴(yán)后推力增加3%。因此，刷式封嚴(yán)因被認(rèn)為是最有可能替代迷宮式封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)[1-2]。多年以來，國外主要的發(fā)動機(jī)制造商和一些大學(xué)進(jìn)行了金屬刷式封嚴(yán)的理論和試驗(yàn)研究，建立了基于各向異性的軸對稱多孔介質(zhì)模型，試驗(yàn)測試了泄漏特性，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正了仿真計(jì)算模型[3-5]。HENDRICKS等[6]在多孔介質(zhì)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了體積計(jì)算模型。CARLILE等[7]以空氣、氦氣和二氧化碳為介質(zhì)，試驗(yàn)獲取了刷式密封靜態(tài)的、轉(zhuǎn)動的流量特性。BAYLEY和LONG[8]用試驗(yàn)和理論方式分別研究了刷式封嚴(yán)內(nèi)部的流動和壓力分布。

國內(nèi)研究人員也采用試驗(yàn)和仿真的方式研究了刷式封嚴(yán)的性能，通過搭建試驗(yàn)裝置測量了單級和多級刷式封嚴(yán)的泄漏量，并發(fā)展了多孔介質(zhì)數(shù)值模型對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修正[9-12]。同時，還應(yīng)用建模技術(shù)，研究了溫度場分布和內(nèi)部流場分布，建立了三維模型，研究了刷式封嚴(yán)在航空發(fā)動機(jī)和汽輪機(jī)上的應(yīng)用[13-17]。

刷式封嚴(yán)使用的刷絲，通常用不銹鋼等金屬絲材制成，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，刷絲與軸過盈配合，高速轉(zhuǎn)軸不斷磨損刷絲，易產(chǎn)生金屬碎屑，進(jìn)入和堵塞滑油系統(tǒng)，容易造成系統(tǒng)故障。本文作者使用碳基纖維材料制備刷絲，密度約是金屬材質(zhì)的1/5，摩擦因數(shù)約是金屬材質(zhì)的1/10，且剛度小，過盈配合時摩擦應(yīng)力小，磨損碎屑少，預(yù)期能顯著降低對滑油系統(tǒng)的潛在破壞。文中采用仿真和試驗(yàn)的方法，研究改進(jìn)后的刷式封嚴(yán)泄漏和流動特性，為碳基纖維材料刷絲的開發(fā)及應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

如圖1所示，試驗(yàn)裝置由驅(qū)動系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和試驗(yàn)件等組成，驅(qū)動電機(jī)最大輸出功率110 kW，通過干式聯(lián)軸器連接齒輪箱，齒輪箱最高工作轉(zhuǎn)速25 000 r/min。連接軸通過聯(lián)軸器連接一對轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤跑道外徑181 mm，2個跑道分別與2個刷式封嚴(yán)刷絲束過盈配合。刷式封嚴(yán)內(nèi)環(huán)直徑182 mm，刷絲束寬度0.8 mm，間隙0.5 mm，安裝2個封嚴(yán)件進(jìn)行對照。供氣氣源表壓0.85 MPa，經(jīng)一臺Fisher高精度調(diào)壓閥調(diào)節(jié)后，高壓腔壓力控制在105～140 kPa，低壓腔連通大氣。在壓差作用下，封嚴(yán)出現(xiàn)泄漏，空氣從高壓側(cè)泄漏至低壓腔，泄漏空氣分別經(jīng)過左擋板、刷絲束、右擋板后流入低壓腔和出口，出口連接質(zhì)量流量計(jì)，測量泄漏流量。

圖1 刷式密封試驗(yàn)裝置

要模擬轉(zhuǎn)動工況時，開啟齒輪箱驅(qū)動轉(zhuǎn)盤跑道，模擬軸轉(zhuǎn)動，而刷式封嚴(yán)試驗(yàn)件則保持靜態(tài)，動態(tài)耐久試驗(yàn)時，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍0～4 000 r/min，調(diào)節(jié)入口試驗(yàn)溫度達(dá)到100～300 ℃，試驗(yàn)前后分別進(jìn)行靜態(tài)泄漏試驗(yàn)。圖2所示是試驗(yàn)進(jìn)行前的安裝狀態(tài)圖。

圖2 試驗(yàn)狀態(tài)

表1是試驗(yàn)和計(jì)算的刷式封嚴(yán)主要的幾何參數(shù)。

表1 刷式封嚴(yán)參數(shù)

2 仿真計(jì)算

2.1 幾何模型與網(wǎng)格

圖3所示是簡化后的計(jì)算模型，選取5°扇形區(qū)域作為計(jì)算域，采用旋轉(zhuǎn)軸對稱三維模型，進(jìn)口總壓、出口靜壓。在刷絲束前后給定足夠整流距離，減少進(jìn)、出口邊界影響。計(jì)算模型與文獻(xiàn)[1]采用的模型尺寸相當(dāng)，網(wǎng)格數(shù)目178萬，是后者的6倍，刷絲束區(qū)域、前擋板間隙、后擋板間隙采用高密度，其他區(qū)域采用相對稀疏的網(wǎng)格密度。同樣網(wǎng)格密度，與文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果對比，壓差0.07 MPa時，計(jì)算流量為14 g/s，試驗(yàn)流量為18 g/s。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果符合性可以接受，認(rèn)為網(wǎng)格密度適用。

圖3 計(jì)算模型

2.2 求解模型

表2給出了計(jì)算邊界條件，設(shè)置無滑移壁面邊界條件，出口壓力為大氣壓，入口壓力為105～140 kPa，入口常溫300 K，設(shè)置旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。計(jì)算域劃分為空氣流動域和刷絲束流動域，空氣流動域采用理想空氣及k-ε湍流模型，刷絲束內(nèi)采用多孔介質(zhì)模型。多孔介質(zhì)模型相是內(nèi)部帶體積力的N-S方程，增加要求解動量方程：

表2 邊界條件

Fr=-Auμ-Bρ|u|u

(1)

式中:F是單位體積上的阻力;A是黏性阻力張量；B是內(nèi)部阻力張量；u是名義流速；μ是動力黏性系數(shù)；ρ是流體密度。

阻力張量有3個方向，分別是沿著流體泄漏方向、垂直流體泄漏方向和沿著刷絲高度方向。此次計(jì)算取各向同性，即3個方向阻力當(dāng)量一致。根據(jù)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定多孔介質(zhì)模型的滲透率，CFX內(nèi)部轉(zhuǎn)換為阻力張量，從而完成求解。根據(jù)最初試驗(yàn)數(shù)據(jù)測算，試驗(yàn)件初始滲透率設(shè)置為0.28Darcy。

3 結(jié)果及分析

3.1 壓差影響

圖4所示是初始的不同壓差下的泄漏量計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 不同壓差下初始靜態(tài)泄漏量計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對比

常溫靜態(tài)情況下的泄漏量處于較低水平，隨著壓差增大，計(jì)算值從5 kPa下的0.05 g/s增加到40 kPa下的0.33 g/s，試驗(yàn)值從15 kPa下的0.04 g/s增加到40 kPa下的0.25 g/s。即隨著壓差增大，計(jì)算和試驗(yàn)的泄漏量接近線性增加，計(jì)算值略低于試驗(yàn)值。封嚴(yán)泄漏量微小，當(dāng)前模型的結(jié)果符合性良好，采用多孔介質(zhì)模型，經(jīng)過試驗(yàn)修正參數(shù)后，能夠相對準(zhǔn)確地預(yù)測刷式封嚴(yán)的泄漏特性。

3.2 動態(tài)耐久性

圖5所示是3個階段動態(tài)耐久性試驗(yàn)泄漏特性對比，第一階段動態(tài)試驗(yàn)溫度105 ℃，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速2 199 r/min，試驗(yàn)壓差7.5 kPa，10 h后靜態(tài)壓差試驗(yàn)顯示，泄漏量從0.14 g/s(25 kPa)增加到0.51 g/s(25 kPa)，較初始值大幅增大；第二階段動態(tài)試驗(yàn)溫度150 ℃，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，試驗(yàn)壓差10 kPa，30 h試驗(yàn)過程泄漏量基本保持不變，這與文獻(xiàn)[10]的結(jié)論一致。初始泄漏量增大的原因，分析認(rèn)為轉(zhuǎn)軸表面線速度高達(dá)300 m/s，初始動態(tài)試驗(yàn)?zāi)p嚴(yán)重，過盈配合導(dǎo)致刷絲磨損，長期試驗(yàn)導(dǎo)致刷絲容易變形、分叉、彎折,導(dǎo)致滲透率增加，最終泄漏量增大;初始磨合過后，刷式封嚴(yán)性能較穩(wěn)定。但此次后期更長時間的耐久性試驗(yàn)后，刷式封嚴(yán)性能嚴(yán)重下降，則表明該型刷式封嚴(yán)用的非金屬材料耐久性仍有待提高。

圖5 耐久性試驗(yàn)后泄漏特性

3.3 轉(zhuǎn)速影響

動態(tài)試驗(yàn)后的靜態(tài)試驗(yàn)顯示，停止轉(zhuǎn)動后，泄漏量幾乎保持不變。仿真計(jì)算時，轉(zhuǎn)速4 600 r/min工況下，計(jì)算得到流量值0.22 g/s(29 kPa)，與靜態(tài)工況一樣。兩者顯示，當(dāng)前的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(4 600 r/min)，轉(zhuǎn)動似乎對泄漏量無明顯影響，文獻(xiàn)[7]顯示近似的結(jié)論。分析認(rèn)為，密封效果關(guān)鍵取決于流通的間隙和壓差，在壓差一定的情況下，轉(zhuǎn)軸的高速轉(zhuǎn)動并沒有明顯增加或減少泄漏流動的間隙，因而泄漏量未明顯變化。

3.4 流場分布

圖6所示是不同壓差下的流線圖，壓差(5 kPa)很小時，氣流從入口徑直流入封嚴(yán)泄漏，壓差增大到16 kPa后，在封嚴(yán)前擋板形成渦流后，沿著擋板向下流動泄漏。圖7所示是壓差40 kPa下的速度矢量圖，可以看到，由于旋渦的作用，大部分流體貼著前擋板縫隙上端泄漏。結(jié)果表明，壓差的作用下，在后腔內(nèi)形成射流和渦流結(jié)構(gòu)，壓差越大，渦流強(qiáng)度越大。

圖6 流線圖

圖7 速度矢量圖(壓差40 kPa)

3.5 壓力分布

圖8所示是刷絲束內(nèi)部壓力分布，可以看到壓力梯度主要發(fā)生在封嚴(yán)刷內(nèi)部。出口壓力保持大氣壓的情況下，入口壓力越大，壓力梯度越大；泄漏流方向上壓力接近等距離漸變。結(jié)果表明，壓差絕大部分發(fā)生在刷絲束內(nèi)部區(qū)域，刷絲的存在造成了壓力損失。

圖8 總壓分布

4 結(jié)論

(1)研究表明，隨著壓差增加，碳基纖維刷絲刷式封嚴(yán)泄漏量增加，壓差從15 kPa增加40 kPa，泄漏從0.04 g/s增加到0.25 g/s，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對泄漏量的顯著影響。

(2)采用多孔介質(zhì)模型模擬刷式封嚴(yán)，得到的結(jié)果數(shù)據(jù)與試驗(yàn)符合性良好。

(3)動態(tài)耐久性試驗(yàn)表明，隨著試驗(yàn)時間增加，刷式封嚴(yán)的滲透率逐漸增加，泄漏量顯著增加后保持穩(wěn)定；但經(jīng)過更長時間的耐久性試驗(yàn)后，碳基纖維刷絲刷式封嚴(yán)性能出現(xiàn)嚴(yán)重下降，表明該型刷式封嚴(yán)采用的非金屬材料耐久性仍有待提高。