篦齿封严对多级压气机级间气动参数的影响

李聪

（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0引 言

篦齿封严结构被广泛应用于燃气涡轮发动机压气机静子内环和转子鼓筒之间的密封。篦齿封严对压气机气动性能的影响不可忽视。1958年Jefferson等［1］认识到泄漏流量随着封严间隙的增大而增大，多级压气机性能也随之趋于恶化；R.M.Hawkins等［2-5］通过比较各种泄漏流量对压气机性能的影响，认为1%的效率降低对应0.9%的泄漏流量。Wellborn等［7］发现静子内环泄漏会对下游叶排全叶高产生影响；高学林、袁新［8］对某轴流压气机中3排叶片在不同的静叶气封间隙下进行了定常和非定常数值模拟，认为随间隙增大，压气机性能下降；顾春伟等［9］优化了篦齿封严结构，通过定常和非定常计算研究了优化前后内部流动和整体气动性能的变化。

国内外文献大多集中在描述篦齿封严结构内部的流动或单排篦齿封严结构对压气机性能的影响，罕有针对多级压气机环境下多排篦齿封严结构对级间气动参数的影响方面的研究，为此，本文以一台五级低压压气机为例，对其中的第一、二、三级静子按照真实的结构设计图纸，划分出篦齿封严网格块，然后用CFX软件结合SST湍流模型分析篦齿封严结构对多级压气机级间气动参数的影响，希望能借此指导多级压气机的设计。

1 数值模拟方法

本文采用Pointwise 软件根据真实篦齿几何结构划分结构化网格，如图1所示。篦齿间隙取为0.3 mm，篦齿数为4，每排篦齿网格数为5×105。本文采用Turbogrid软件对压气机流道内几何进行结构化分网，然后用CFXPre将流道内网格与3排静子的篦齿结构网格连接在一起，如图2所示，并设置恰当的边界条件。其中，进口边界给均匀的总温总压，出口边界给均匀静压，固壁为绝热、无滑移边界条件，周向边界处为周期性边界条件，叶排上下游连接处按照周向平均方法设置为‘STAGE’，篦齿块与流道之间的连接采用非匹配连接‘General Connection’，篦齿块的轮毂部分设为旋转固壁，与静子相连的壁面设为静止固壁，每排转子叶尖间隙为0.3 mm。网格总数约为550万，采用对逆压梯度下分离预测较为准确的SST模型进行定常计算，对流项离散格式设为‘High Resolution’，湍流模型数值精度为‘First Order’。

图1 篦齿封严结构网格

图2 带有3排篦齿封严结构的五级压气机网格

图3 不带篦齿封严结构的五级压气机网格

本文仅对比设计转速下设计压比点的带篦齿块和不带篦齿块（图3）的CFX计算结果。

2 计算结果分析

本文着重分析第二级静子和第三级转子的流场，以考察前后排静子篦齿块对中间排转静子的影响。

图4是带篦齿块结构的第二级静子根部泄漏流图谱，可以看到通过篦齿间隙泄漏的流体在空腔内卷起的漩涡。图5是设计压比点下带篦齿块和不带篦齿块的第二级静子总压恢复系数沿叶高对比，篦齿结构明显增加了静子20%叶高以下的气动损失。图6和图7分别是带篦齿块和不带篦齿块的第二级静子进出口马赫数的沿叶高分布对比，可见篦齿结构减小了10%叶高以下的气流马赫数。图8和图9分别是带篦齿块和不带篦齿块的进出口气流角沿叶高分布对比，可以看出20%叶高以下的进出口气流角相差超过1°，其余叶高相差不大，其中篦齿结构使攻角增大值超过2°（不考虑附面层部分），并使出口气流角在根部产生剧烈转折，从而导致图10所示的下游转子的根部进口相对气流角也有显著变化：带篦齿块结构的转子根部攻角明显大于不带篦齿块结构的转子根部攻角，使转子根部偏离了正常攻角。图11是带篦齿块和不带篦齿块的第三级转子进口相对马赫数沿叶高分布对比，篦齿结构明显减小了20%叶高以下的转子进口相对马赫数。

图4 带篦齿块结构的第二级静子根部泄漏流

图5 第二级静子总压恢复系数

图6 第二级静子进口马赫数

图7 第二级静子出口马赫数

图8 第二级静子进口气流角

图9 第二级静子出口气流角

3结 论

图10 第三级转子进口相对气流角

图11 第三级转子进口相对马赫数

通过以上对比，可以得出以下几点结论：1）篦齿封严结构将会减小静子20%叶高以下的总压恢复系数，增加该处的气动损失；2）篦齿封严结构将会减小静子10%叶高以下的进出口马赫数；3）篦齿封严结构将会对20%叶高以下的静子进出口气流角产生一定影响，其中攻角增大值超过2°；4）篦齿封严结构将会明显增大10%叶高以下的转子攻角，这一点需要引起气动设计者注意。

因此，在多级压气机设计中，篦齿封严结构是无法忽略的因素，必须引起设计者的足够重视。

［ 1］ Jefferson J L，Turner R C.,Some shrouding and Tip Clearance Effects in Axial Flow Compressor ［ J］.International Ship Building Progress，1958（ 5）：78.

［2］ Hawkins R M.Development of compressor end seals,stator interstage seals， and stator pivot seals in advanced air breathing propulsion systems Semiannual report ［R］.East Hartford，Connecticut：Pratt& Whitney Aircraft Division of United Aircraft Corporation，1 Jan.-30 Jun，1966.

［3］ Hawkins R M，Mc Kibbin A H，Ng C C.W.Development of compressor end seals stator interstage seals，and stator pivot seals in advanced air breathing propulsion systems Semiannual report［ R］.East Hartford，Connecticut：Pratt&Whitney Aircraft Division of United Aircraft Corporation，1 Jul.-31 Dec， 1966.

［4］ Hawkins R M.Mc Kibbin A H，Ng C C W.Development of compressor end seals stator interstage seals，and stator pivot seals in advanced air breathing propulsion systems Semiannual report［ R］ .East Hartford，Connecticut：Pratt&Whitney Aircraft Division of United Aircraft Corporation，1 Jul.-31 Dec， 1967.

［5］ Hawkins R M，Mc Kibbin A H，Ng C C W.Development of compressor end seals stator interstage seals，and stator pivot seals in advanced air breathing propulsion systems Semiannual report［ R］ .East Hartford，Connecticut：Pratt&Whitney Aircraft Division of United Aircraft Corporation，1 Jan.-30 Jun， 1968.

［6］ Hawkins R M，Mc Kibbin A H，Ng C C W.Development of compressor end seals stator interstage seals，and stator pivot seals in advanced air breathing propulsion systems Semiannual report［ R］.East Hartford，Connecticut：Pratt&Whitney Aircraft Division of United Aircraft Corporation，30 Jun.-31 Dec，1968.

［ 7］ Wellborn S.Effects of shrouded stator cavity flows on multistage axial compressor aerodynamic performance ［R］.NASA CR-198536，1996.

［8］ 高学林，袁新.多级轴流压气机间隙流动的数值模拟［J］.工程热物理学报，2006，27（ 3）：395-398.

［9］ 顾春伟，马文生，禄堃.静叶根部气封几何结构的优化与流动分析［C］//中国工程热物理学会会议论文，2008.