旋转指尖密封结构设计及泄漏性能仿真分析

（新乡职业技术学院，现代设计与工程学院，河南新乡市，453000）陈 莉

当前，航空技术快速进步，需要达到更大的推重比并且不断降低油耗，因此需要有效克服航空发动机存在的密封泄漏问题[1]。指尖密封可以满足转子轴向与径向跳动适应性，与篦齿密封方式相比可以获得更良好的密封效果，与刷密封相比则可以有效降低制造成本，已引起众多研究人员的密切关注[2-3]。

为满足实际工程应用需求，需对指尖密封结构引起泄漏的因素进行深入分析。例如，王强[4]根据前期文献报道的指尖密封多孔模型研究结果，在固体导热基础上设置了指尖梁间接触传热的方式，针对指尖密封传热方式构建了模型，利用数值分析的方法评估了热效应引起的指尖密封泄漏性变化。通过分析指尖密封侧隙泄漏影响因素可知，在指尖梁表面存在许多粗糙的凹凸结构，两个表面接触后产生的细小孔隙尺寸比指尖梁缝隙尺寸更小，起到有效抑制泄漏的作用[5]。

目前关于指尖密封结构的研究多是考虑侧隙泄漏的影响因素，对接触界区域的孔隙处泄漏的研究不足。本文以流体经过密封指尖梁接触界区域的孔隙处的泄漏作为侧隙泄漏；同时利用多孔介质结构构建了多孔介质模型，构建了可以对指尖密封侧隙泄漏进行分析的方法。

1 指尖密封结构设计

指尖密封结构的各组成部分，主要包括通过挡板夹持的指尖梁，相互间呈现交错叠置的状态，各指尖梁沿圆周方向从根圆处进行加工形成了许多呈现细长曲线形态的指尖梁[6]。圆的结构尺寸包括圆直径De；外圆直径Dw，根内圆直径Dr。指尖梁的结构尺寸包括缝隙宽s，缝之间宽度fw；高度为hx，详见图1。

图1 旋转指尖密封结构示意图

2 仿真模型

图2可以看到以多孔结构进行指尖密封侧隙泄漏测试的仿真范围。

图2 仿真模型

针对渐开线形式的指尖密封进行分析，表1we出了该结构的各项参数。采用GH4169镍基合金制备指尖梁，该合金的弹性模量为206GPa，泊松比为0.31；后挡板与转子则以GH605钴基合金作为制造材料，对应的弹性模量为230GPa，泊松比为0.285。同时以空气作为指尖密封介质。

表1 指尖密封主结构参数

3 结果分析

3.1 指尖密封流场分布

图3是进行指尖密封侧隙泄漏测试得到的压力分布图。在上述测试条件下得到的指尖密封侧隙泄漏率为0.042g/s。

图3 速度分布图

由图3分析可知，前挡板下游保护区中发生了流道宽度的迅速降低，引起流体速度的迅速增大。进入多孔介质区时，受孔隙影响，依然可以发现此时有流体运动，但因为受到小尺寸孔隙的节流作用，流体只能以很慢的速度进行流动，并且运动方向也存在较大差异。同时发现，后挡板对流体运动过程造成了一定的制约，引起运动速度的快速增大。

图3 1#样品弹性模量G'和粘性模量G”变化曲线图

3.2 指尖梁影响因素分析

3.2.1 指尖梁表面纹理

设定压差为0.3MPa、转子位移激励为15μm、粗糙度为1.5μm的情况下，表2显示了不同指尖梁表面纹理方向下的主流道与侧隙泄漏程度及其对总泄漏造成的影响。随着指尖梁表面由横向纹理转变为纵向纹理的过程中，形成了基本稳定的主流道泄漏，而侧隙泄漏则发生了持续增大。在指尖梁表面形成横向纹理特征后，因为粗糙峰脊方向垂直于流体方向，流体只能穿过有限的粗糙峰脊，对应的流通面积也很小，导致流动阻力明显提高，因此只在指尖密封侧发生很少的泄漏；在指尖梁表面形成纵向分布的纹理时，粗糙峰脊的方向也跟流体的流动方向相同，流体可以通过粗糙峰脊间的凹谷通道，从而显著降低了流动阻力，产生了更大的侧隙泄漏。

根据表2所示的不同指尖梁表面粗糙度纹理方向下的主流道与侧隙泄漏比例。结果发现，随着指尖梁表面由横向纹理逐渐转变为纵向纹理的过程中，获得了更小的主流道泄漏比例，而侧隙泄漏则发生了明显提高。这是因为指尖梁表面由横向纹理转变至纵向纹理的时候，发生了流体阻力的降低，引起更明显的指尖密封侧隙泄漏。

表2 泄漏参数随指尖梁表面纹理变化

3.2.2 上下游压差

表3为不同上下游压差的情况下泄漏状态变化。结果表明，逐渐增大指尖密封上下游压差时，主流道、侧隙都发生了增大的变化趋势。逐渐提高上下游压差时，除了产生更明显指尖密封现象以外，还引起指尖靴底和转子径向形成了更大的泄漏间隙，并使流体获得了进入径向泄漏间隙的更大驱动力，使得指尖密封上下游压差提高后，在主流道中产生了更大程度的泄漏。随着主流道与侧隙泄漏提高后，指尖密封也达到了更高的总泄漏。

根据表3所示，不同上下游压差条件下的主流道与侧隙泄漏比。逐渐提高上下游压差之后，发生了主流道泄漏比降低的现象，同时引起侧隙泄漏比增大的结果。这是因为提高指尖密封上下游压差后，侧隙泄漏发生了更快增长而引起的。

表3 泄漏参数随上下游压差变化

4 结论

利用多孔介质结构构建了多孔介质模型，构建了对指尖密封侧隙泄漏进行分析方法。前挡板下游保护区中发生了流道宽度的迅速降低，引起运动速度的快速增大。随着指尖梁表面由横向纹理转变为纵向，形成稳定主流道泄漏，侧隙泄漏持续增大，获得更小主流道泄漏比例，侧隙泄漏明显提高。逐渐增大指尖密封上下游压差时，主流道、侧隙增大，主流道泄漏比降低，侧隙泄漏比增大。