T型槽柱面气膜槽型参数数值计算研究.docx

? ? T型槽柱面气膜槽型参数数值计算研究 ? ? 李鑫，刘美红，康宇驰，孙军锋，熊忠汾 （650504 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院） 0 引言 在现代航空中的流体动密封中，对第二流道系统中的高压压气机处的第二流动密封设计进行改进，可使其效率改善4.4%或者提升发动机7.6%的静推力。改善高压涡轮处第二流动，可使其效率改善4.2%或提升发动机9.7%的静推力[1-3]。柱面气膜密封因为具有低泄漏、适宜高滑速等特点契合于航空发动机的密封需求，同时因为它的非接触性，又可以进一步避免密封副之间的接触摩擦、磨损和“碰摩”自振，成为航空航天中流体动密封技术中一个重要的研究方向[4-6]。 T 型槽柱面气膜密封因具有的开槽特性，使其稳定性大于无槽柱面气膜密封[7]，并且作为一种单列槽，T 型槽静态稳定性优于双列对称结构槽[8]。除此之外，T 型槽槽型结构对称简单，在主轴轴端密封中可实现主轴正反转密封性能不变，易于加工，且浮升力优于螺旋槽。 苏泽辉[9-10]等研究发现，对于T 型槽柱面气膜密封，槽型参数是影响其密封性能的主要因素，其槽数N、槽深H、坝长比β、槽台宽比γ等对密封性能有较大影响。当前，针对柱面气膜试验参数对密封性能的影响探究中，主流方法为单因素实验法，即在每次改变一个参数的同时保持其他参数不变[11]。这种方法在应对槽型参数这种需要综合考察的因素时，需要大量的实验支持，时间成本过高。这时，采用一种较为便捷、节省成本的试验方法就显得尤为重要。 正交试验法是分式析因设计的主要方法，它的特点是能够从全面试验中选出具有代表性的均匀分散的参数进行试验[12]。当试验周期较长或试验费用较高时，采用正交试验设计方法可在较少试验次数的前提下达到试验要求。正交试验法可通过分析因素与指标的关系，找到因素影响指标的规律，同时可在诸多影响指标的引述中找到主要影响因素，并得到最佳指标的因素的组合。本文选取4 个槽型参数作为试验因素，每个因素选取3 个水平。因为各因素水平相等、即选用同水平正交表L9（34）[13]，共9 组试验。 1 T 型槽柱面气膜数值模型 1.1 参数定义 T 型槽柱面气膜密封结构如图1 所示。偏心距为e，Rj为动环半径，Rk为浮环半径，槽深H=Rj-Ri，浮环半径取Rk=Rj+C[14-15]。 图1 T 型槽柱面气膜结构示意图Fig.1 T-groove cylindrical air film structure T 型槽柱面气膜的详细结构参数以及试验采用的工况参数分别见表1、表2。 表1 T 型槽柱面气膜结构参数Tab.1 T-groove cylindrical gas film structure parameters 表2 T 型槽柱面气膜工况参数Tab.2 Operating parameters of T-groove cylindrical gas film 1.2 性能参数界定 对于T 型槽柱面气膜密封，考虑其密封特性、结构及工况，建立如下假设[16]：（1）密封气膜为符合牛顿粘性定律的连续介质；（2）界面上无流体间的相对滑移；（3）密封界面所涉及的扰动、振动等忽略不计；（4）忽略气膜所具有的惯性力以及体积力，且温度、黏度等工况恒定不变。 用来表征柱面气膜密封性能的参数有气膜的泄漏率Q、气膜刚度K、漏刚比E、浮升力Fg等。 泄漏率Q 的计算公式为[4] 式中：Rj——动环半径；p ——气膜压力；θ——最大膜厚量起的角向坐标。 浮升力Fg计算公式为 式中：Ft——浮环切向分量；Fr——浮环径向分量；Fg——浮升力合力。 气膜刚度K 计算公式为 式中：F——浮升力。 漏刚比E 计算公式为 2 正交试验参数选取及模型建立 2.1 正交试验参数选取 槽数N、槽深H、槽台宽比γ、坝长槽长比β是本文主要探究的T 型槽柱面气膜的重要槽型参数。T 型槽槽型结构如图2 所示。 图2 T 型槽柱面气膜槽型结构示意图Fig.2 T-groove cylindrical surface gas film groove structure 其中，槽台宽比 坝长槽长比 苏泽辉[9-10]等，通过采用CFD 数值模拟得到T 型槽柱面气膜最佳坝长比为β=0.4～0.6，槽台宽比γ=0.3～0.5。丁雪兴[17]等人通过求解柱面螺旋槽气膜密封稳态特性，得到柱面气膜最优槽数值为N=12～18。槽深取值为H=10～15 μm。以此为根据，同时结合具体试验，设计选用L9（34）正交表，并得到各因素取值如表3 所示。 表3 T 型槽槽型参数正交试验水平因素Tab.3 Orthogonal test level factors of T-groove parameters 2.2 模型建立及网格划分 通过上文罗列的结构、槽型参数，