带缘板修型的静盘深腔型复合封严试验

张庆才，刘松，王钦钦，谭晓茗，*，张靖周，郭文

1．南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016

2．中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500

3．北京航空航天大学 航空发动机研究院，北京 102206

航空发动机涡轮盘腔间隙的存在容易引起燃气入侵，造成盘腔内的烧蚀损伤，通常在涡轮盘腔内设置封严结构，并引入压气机侧的冷空气，用于提高盘腔内压力，防止燃气入侵。然而过多的冷气用量会造成主流压力能、热能等能量损失，降低涡轮效率。因此，封严结构设计显得尤为重要，采用高效的封严结构既可以有效抑制高温燃气入侵盘腔，防止涡轮盘烧蚀；又可以显著减少冷气用量，这对涡轮性能乃至发动机的整体设计都具有重要意义［1-3］。

国内外研究人员在盘缘封严特性和结构研究方面开展了大量的工作。Phadke 和Owen［4］较早地开展了无外流条件下基础盘缘封严（轴向封严和径向封严）燃气入侵特性的试验研究，探讨了转速对封严效率和最小封严流量的影响规律。考虑到存在外流的影响，Sangan 等［5-6］根据单级涡轮的试验结果研究了基础盘缘封严的外部诱导入侵特性［7］和旋转诱导入侵特性［8］。吴康等［9］结合试验和数值方法研究了涡轮级环境下基础盘缘封严的燃气入侵特性，得出了入侵气体和封严气体主要在盘腔高半径处发生掺混，并在动盘旋转夹带作用下深入盘腔的结论。

陶加银［10-11］和Jia［12］等在双重封严的数值研究中发现相比基础盘缘封严，双重轴向封严和径向-轴向封严确实具有较佳的封严表现。Sangan等［13］试验研究了基础盘缘封严和双重封严的燃气入侵特性。结果表明双重封严比结构单一的轴向封严和径向封严能更好地保证低半径盘腔的 封 严 效 率。Popovíc 和Hodson［14］通 过 试 验 和数值手段详细对比了叠覆封严和一系列叠覆封严改进型的密封性能，对比结果表明，叠覆封严本身具有较高的封严效率，叠覆封严的静盘腔滞留了入侵的高温燃气，阻止了燃气继续下侵低半径盘腔。Da Soghe 等［15］提出了一种静盘侧设置深腔的封严结构，并对比研究了容腔结构几何参数对封严效率的影响。Scobie 等［16］提出了一种复杂的“天使翼”（Angel Wing）封严结构。研究发现盘腔复杂腔室的设计能通过增加燃气的流动阻力来阻止燃气入侵，从而具有较高的封严效率。

Popovíc 和Hodson［14］、Schuler 等［17-18］不仅对叠覆封严腔内结构进行了研究，而且对叠覆封严的缘板结构进行了端面设计，研究结果表明，采用改进后的缘板端面能改善叶片叶根区域的温度，降低气动损失，但对叠覆封严的封严性能没有提升作用。Erickson 等［19］提出了2 种仿生学的缘板结构（“海豚鼻”缘板结构和“鲨鱼鼻”缘板结构），并重点研究了2 种封严结构的燃气入侵特性，研究表明“海豚鼻”封严结构的燃气入侵情况低于“鲨鱼鼻”封严结构。Zhang 等［20］基于鲨鱼鼻封严结构，对海豚鼻缘板造型和增加容腔的封严结构进行了试验和数值研究，研究结果表明，海豚鼻缘板结构及其钩式造型使得封严流在封严腔中产生回转涡，从而使海豚鼻缘板封严结构取得了较高的封严效率。

综上所述，针对封严腔内静盘侧设置深腔与封严缘板造型改进的封严结构的封严特性研究内容较少，缺乏深入细致的分析，基于此，本文提出了一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构，开展了典型工况影响下的盘腔封严特性试验研究，在此基础上通过数值模拟揭示了封严腔内流场的详细信息和封严特性。

1 试验装置和测量方法

1.1 试验装置

本试验在设计转速为4 000 r/min 的全环试验台上完成，试验台整体结构见图1。试验台主体系统主要由动力系统、供气系统、试验段和数据采集系统等几部分构成。

图1 试验设施整体示意图Fig.1 Schematic diagram of overall layout of experimental system

供气系统可分为主流供气系统和封严流供气系统。主流供气系统为试验段主流通道提供所需的稳定气源，其最大供气量为19 770 m3/h。封严流供气系统为试验件转静盘腔提供含有一定二氧化碳气体体积分数的稳定气流。试验时将干燥无杂质的压缩空气和二氧化碳气体（示踪气体）一同通入稳压箱，经掺混并稳定后形成所需的封严用气，封严流最大供气量为3.5 kg/min。

图2给出了含轴向封严结构的试验段截面示意，试验段主流通道高度H为10 mm，静盘上安装静叶32 片，动盘上安装动叶64 片，动盘半径b为220 mm，盘腔轴向间隙S为18 mm。本试验选用盘缘封严结构共3种，轴向封严结构、叠覆封严结构和带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构，分别用Seal A、Seal B 和Seal C 表示，结构示意如图3所示。相比Seal A 封严结构，Seal B 封严结构在静盘上安装了静盘封严环，而Seal C 封严结构在Seal B 封严结构的基础上采用静盘深腔造型和动盘修型缘板。

图2 试验段截面Fig.2 Cross-section of overall configuration

图3 试验选用的3 种盘缘封严结构Fig.3 Three rim seal structures in experiment

1.2 数据采集

本试验要求采集的数据包括主流流量、封严流量、试验段总/静压、盘腔二氧化碳气体体积分数等。主流流量通过主流通道入口处的静压和总压计算得到，主流通道入口处的静压测点Mp1 和总压测点Mp2 如图4 所示。封严流量由质量流量控制计测量可得。

图4 壁面压力和体积分数测点Fig.4 Pressure and volume fraction measuring points on wall

为分析静叶和动叶所引起的主流通道周向压力不均匀性影响，试验中在距离静叶4 mm 处沿周向均匀布置7 个静压测点［21］，在距离动叶4 mm 处沿周向均匀布置6 个静压测点，以获取静叶尾缘下游和动叶前缘上游静压值。图5 给出了静压测点位置，测点刚好能覆盖1 个叶片通道。其中静叶尾缘下游静压和主流总静压的获取途径一致，均是通过测压管连接到压力扫描阀测量获取。而动盘具有旋转特性，本试验在动叶前缘设置6 枚库利特压力传感器（传感器的测量量程为0～7×104Pa），并选用旋转采集仪来储存并获取动叶前缘压力。为确保数据的准确性，试验开展前对测压管和旋转状态下的库利特压力传感器进行了标定，旋转状态下的标定方法参见文献［22］。校准后，压力测量的不确定度在±2%范围内。

图5 主流通道内静压测点布置Fig.5 Arrangement of static pressure measuring points in main flow channel

腔内不同半径处（r/b=0.92， 0.93， 0.94， 0.97， 0.98）的二氧化碳气体体积分数测点如图4 所示，测点在周向共设置3 组（组间间隔5.6°）。二氧化碳气体体积分数采用GXH-3010H 红外线分析仪来测量，仪器测量误差低于测量值的1%。试验时调节二氧化碳气源阀门开度，使稳压箱内二氧化碳气体体积分数维持在3%左右［23-24］。而主流中二氧化碳气体体积分数接近于0，故盘腔内二氧化碳气体体积分数的变化就可以反映主流气体入侵盘腔的程度。

1.3 试验工况和参数定义

下面给出本试验涉及的参数定义。

旋转雷诺数

式中：ρ和μ分别为气流的参考密度和动力黏度；b为涡轮盘半径；ω为转盘角速度；下标“φ”表示周向。

主流雷诺数

式中：v为主流轴向速度；下标“w”表示轴向。

无量纲角度定义为

式中：θ0为计算模型的起始角度；θ1为计算模型的终止角度；θ为测点角度。计算模型中起始和终止角度分布如图6 所示。

图6 周向角度示意图Fig.6 Schematic diagram of circumferential angle

切向速度比

式中：vφ为周向速度；r为对应的半径。

封严效率

式中：c表示某处的二氧化碳体积分数；c0代表冷气入口处二氧化碳体积分数；c∞为主流二氧化碳体积分数。本文用封严效率ε的大小来描述盘缘封严的封严特性，封严效率ε=100%表示该处无主流入侵，完全封严；封严效率ε=0 表示该处主流完全入侵。按照上述仪器测量最大误差，式（5）求得的封严效率最大相对误差为2%。

根据上述参数定义，试验工况范围为主流雷诺 数0.75×105≤Rew≤9.36×105，旋 转 雷 诺 数1.6×105≤Reφ≤8.1×105，流量比（封严流量/主流流量，用FR 表示）为0.2%～2.5%。

2 结果与分析

试验通过分析各封严结构下的静压分布和示踪气体体积分数分布，获得了主流流量、封严流量、转速对主流通道内压力和盘腔封严效率的影响规律，并结合数值计算结果对比分析了3 种封严结构的盘腔流场结构和封严效率。

2.1 主流雷诺数的影响

在保证封严流量为定值，旋转雷诺数Reφ=4.8×105时，试验研究了不同主流雷诺数Rew对主流通道内压力和封严性能的影响，图7 给出了主流雷诺数对静叶尾缘下游静压的影响情况，图中纵坐标P为测点静压，Pin为主流雷诺数Rew=4.68×105时主流通道进口处静压。主流雷诺数的改变对静叶尾缘下游区域的压力影响较大，主流雷诺数增加，静叶尾缘下游区域的压力增加。静叶的存在使得静叶尾缘下游静压在周向上具有不均匀性，靠近静叶尾缘区域（θ*≈0.8）的静压高于其他区域，而增加主流雷诺数也会让静叶尾缘下游区域的周向压力不均匀性变大，可见主流通道内静叶尾缘下游周向压力不均匀性与主流雷诺数的大小密切相关。

图7 静叶下游静压分布（Reφ=4.8×105）Fig.7 Distribution of static pressure downstream of vane（Reφ=4.8×105）

比较Seal A、Seal B 以及Seal C 封严结构的压力曲线可知，主流雷诺数在（1.56 ～ 4.68）×105范围内，静叶尾缘周向压力不均匀性：Seal C＞Seal B＞Seal A，即Seal C、Seal B 封严结构会加剧静叶尾缘周向压力不均匀性，其中Seal C 封严结构最为明显。而在其余主流雷诺数下，三者引起的尾缘周向压力不均匀性又趋于一致。

从图8 可以发现主流雷诺数的改变对动叶前缘的压力影响也很大，主流雷诺数增加，动叶前缘测点区域的压力不断增加，这说明主流通道内动叶前缘处压力变化与主流雷诺数的大小也密切相关。比较3 种封严结构的压力曲线，三者的压力曲线变化大致相同，在动叶叶间流通区域内的流体速度高，对应的前缘区域（θ*≈0.45）静压值较小；动叶前缘区域的气体冲击动叶前缘，速度降低，静压值增加。此外，相比于低主流雷诺数（Rew=0.75×105），高主流雷诺数（Rew=9.36×105）下的动叶前缘周向压力分布不均匀性减小。

图8 动叶上游静压分布（Reφ=4.8×105）Fig.8 Distribution of static pressure upstream of blade （Reφ=4.8×105）

不同半径处盘腔封严效率分布如图9 所示，主流雷诺数的改变对盘腔封严效率影响较大，主流雷诺数增加，腔内的封严效率不断减小。结合静叶下游和动叶上游压力分布曲线可知，主流雷诺数增加，主流通道内压力增加，主流与腔内的压差变大，主流气体入侵加剧，封严效率降低。由图9（a）和图9（b）可知，在不同主流雷诺数下，Seal B 封严结构低半径盘腔（r/b≤0.94）的封严效率高于80%，而Seal A 封严结构只有在主流雷诺数为0.75×105时才能达到。由此可见Seal A 封严结构内部没有设置静盘封严环，主流气体直接入侵到内部盘腔，低半径盘腔与高半径封严容腔的封严效率基本一致。而叠覆封严能将大部分主流气体阻隔在高半径封严容腔（r/b≥0.96）中，有效阻止了主流气体下侵，保证了低半径盘腔较高的封严效率。但Seal B 封严结构高半径封严容腔因为滞留了大部分主流气体，并没有让主流气体直接与封严冷气进行大规模地掺混，所以从图9（a）和图9（b）可以看出，主流雷诺数在（1.05～4.68）×105范围内，高半径封严容腔内Seal B 封严结构的封严效率低于Seal A 封严结构。

比较图9（b）和图9（c）可知，在同一主流雷诺数下，Seal C 封严结构的低半径盘腔（r/b≤0.94）的封严效率明显高于Seal B 封严结构，即使在不同主流雷诺数下其封严效率值都处于85%以上。比较图9（a）～图9（c）可以发现：同一主流雷诺数下，Seal C 封严结构在高半径封严容腔内（r/b≥0.96）的封严效率高于其他2 种封严结构，由此可知，Seal C 封严结构特殊的静盘深腔和缘板造型，在保证低半径盘腔高封严效率的同时，还能提高盘腔高半径封严容腔内的封严效率，进而使得Seal C封严结构的密封性能在3种封严结构中脱颖而出。

2.2 封严流量的影响

在保证主流雷诺数为Rew=4.68×105，旋转雷诺数Reφ=4.8×105时，研究了不同封严流量（图中用流量比FR 表示）对主流通道内压力和封严性能的影响。如图10 所示，研究不同封严流量下静叶尾缘下游静压的变化规律。从图中可以发现封严流量增加，静叶尾缘下游静压值会有一定增加但并不大，这是因为封严流量增加使得封严出流流量增加，流经封严出口上部区域的主流会受到封严出流带来的阻塞作用，静叶尾缘下游静压值会发生上升的情况。但封严流量的改变并没有影响静叶尾缘压力的不均匀性。在比较3 种封严结构的压力曲线过程中，可以发现3 种封严结构的静叶尾缘周向压力曲线并没有较大区别，因此，3 种封严结构在试验工况下并没有明显地对静叶尾缘下游静压分布造成较大影响。

图11 给出了3 种封严结构的动叶前缘周向压力曲线。从曲线中可以发现：在本文研究的试验工况下，封严流量的增加对动叶前缘区域的压力增幅较小，对叶间通道前缘区域的压力存在影响。这是因为动叶前缘区域因压力势场的存在，该区域压力较高，封严出流对此区域造成的压力变化较小。而在叶间通道前缘区域，压力相对较小，封严出流对该区域影响较大。对比3 种封严结构的压力曲线可知，封严结构的改变并没有影响动叶前缘区域的压力分布，但会对叶间通道前缘区域的压力造成影响。

图12给出了不同封严流量下盘腔封严效率分布，封严流量的增加提高了腔内的封严效率。结合图10和图11试验数据可知封严流量增加对主流通道内压力影响较小，但增加封严流量提高了盘腔内压力，有利于提高盘腔封严效率。对比图12（a）～图12（c）可知，要保证低半径盘腔（r/b≤0.94）的封严效率高达90%，Seal A、Seal B 和Seal C 封严结构所需要的流量比分别为2.5%、0.6%和0.4%。而要保证高半径封严容腔（r/b≥0.96）的封严效率高达90%，其所需要的封严冷气量：Seal A＞Seal B＞Seal C。因此，Seal B 封严结构的封严特性优于Seal A 封严结构，Seal C 封严结构的封严特性优于Seal B 封严结构。即在达到同等封严要求的前提下，Seal C 封严结构所需要的封严冷气最少。

图12 不同半径处封严效率分布 （Rew=4.68×105， Reφ=4.8×105）Fig.12 Distribution of sealing efficiency at different radii （Rew=4.68×105， Reφ=4.8×105）

2.3 旋转雷诺数的影响

在保证主流雷诺数为Rew=4.68×105，流量比FR=0.4%时，研究不同旋转雷诺数Reφ对主流通道内压力和封严性能的影响。图13 为不同旋转雷诺数工况下静叶尾缘下游静压的分布，从中可以发现旋转雷诺数增加，3 种封严结构静叶尾缘下游静压值均会增加，其中Seal B 和Seal C封严结构的静叶尾缘压力在周向上的增值基本一致，Seal A 封严结构的静叶尾缘压力在周向上的增值有较大差别。即Seal B 和Seal C 封严结构的静叶尾缘周向压力不均匀性随旋转雷诺数改变而不发生明显改变，Seal A 封严结构静叶尾缘周向压力不均匀性随旋转雷诺数增加而增大。

图13 静叶下游静压分布（Rew=4.68×105， FR=0.4%）Fig.13 Distribution of static pressure downstream of vane （Rew=4.68×105， FR=0.4%）

旋转雷诺数增加引起叶间通道前缘压力增加的现象从图14 中可以发现，旋转雷诺数增加没有对动叶前缘高压区产生较大影响，而对叶间通道前缘区域的压力产生较大影响。旋转雷诺数越大，叶间通道前缘区域的压力越大且越接近动叶前缘区域压力，即周向压力不均匀性下降。比较3 种封严结构的压力曲线，发现封严结构改变没有对动叶前缘区域的压力产生明显影响，只会让叶间通道前缘区域压力产生微小变化。

图14 动叶上游静压分布 （Rew=4.68×105， FR=0.4%）Fig.14 Distribution of static pressure upstream of blade （Rew=4.68×105， FR=0.4%）

由静叶尾缘和动叶前缘压力分布可知，旋转雷诺数增加，封严出口外部区域压力呈现增加的趋势，而盘腔外部压力增加会导致主流气体入侵加剧。结合图15 给出的不同半径处盘腔封严效率可以看出，旋转雷诺数增加，3 种封严结构盘腔封严效率都会下降。对比3 种封严结构的封严效率可知，无论是低半径盘腔（r/b≤0.94），还是高半径封严容腔（r/b≥0.96），Seal B 封严结构和Seal C 封严结构的密封性能优于Seal A 封严结构，而Seal C 封严结构的密封性能比Seal B 封严结构又更胜一筹。

图15 不同半径处封严效率分布（Rew=4.68×105， FR=0.4%）Fig.15 Distribution of sealing efficiency at different radii （Rew=4.68×105， FR=0.4%）

2.4 盘缘封严特性的数值研究

为了更详细地研究盘缘封严结构的封严特性，并获得封严腔内详细的流场信息。接下来对试验段流体流通区域开展相应的数值仿真研究。选取试验模型的1/32 个圆周（11.25°）作为数值计算模型，其模型结构如图16所示（以叠覆封严为例）。

图16 计算模型Fig.16 Computational model

计算模型的网格采用ICEM-CFD 软件进行结构化网格划分，在轮毂、动叶、静叶等固体壁面处均划分了附面层网格，采用SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型时满足壁面y+值在1 附近。针对计算模型具有的旋转特性，本文采用商用软件ANSYS CFX 进行数值求解。数值模拟研究工况根据试验工况确定，主流进口和封严入口都为质量流量进口，进口气体温度均设为300 K，主流出口为压力出口，出口压力为环境大气压。叶片、轮毂和封严固体壁面设置为光滑、绝热、无滑移壁面，周向边界设置为旋转周期面。静止域和旋转域之间的动静交界面类型设置为Frozen Rotor。静叶所处区域为静止域，转静盘腔和动叶所处区域为旋转域，盘腔内静盘侧壁面为静止壁面，动盘侧壁面为旋转壁面，此计算域设置方法能够较为准确地模拟腔室内部的流动［25-26］。数值计算差分格式采用High Resolution 格式，选择Scalable 函数壁面处理方法。各变量的残差收敛标准为10-5，且各监测面的参数不再发生变化时认为计算收敛。

为验证相关数值计算中所选取的计算方法和计算结果的可靠性，以叠覆封严结构为例，在主流雷诺数Rew=4.68×105，旋转雷诺数Reφ=4.8×105工况条件下，选取典型参数（FR=0.4%，0.6%，1.2%）开展CFD 计算并将结果与试验结果（EXP）进行对比验证。图17和图18分别为静叶下游静压和动叶上游静压的数值与试验结果对比，从图中可以看出：数值计算结果与试验结果在变化规律上趋于一致，靠近静叶尾缘区域（θ*≈0.8）的静压高于其他区域，靠近动叶前缘区域（θ*≈0.7）的静压高于其他区域。在图17 和图18 所示范围内，两者的相对误差低于2%。图19为盘腔封严效率的数值与试验结果对比，图中横坐标为不同盘腔测点所处的半径值，纵坐标为封严效率。从图中可以看出：数值结果与试验结果具有很好的吻合性，封严效率随着盘腔半径的增加而不断下降的变化趋势是一致的。且封严流量对封严效率的影响规律也具有一致性，随着封严流量的增加，封严效率增加。在图19 所示范围内，两者的最大相对误差为4.98%，故数值计算结果可以很好地反映试验结果。

图17 静叶下游静压数值与试验结果对比Fig.17 Comparison of numerical and experimental results of static pressure downstream of vane

图18 动叶上游静压数值与试验结果对比Fig.18 Comparison of numerical and experimental results of static pressure upstream of blade

图19 盘腔封严效率的数值与试验结果对比Fig.19 Comparison of numerical and experimental results of sealing efficiency of disc cavity

为了分析盘缘封严结构的封严特性对流场分布和流动特性的影响。选择流量比为0.4%时的3 种封严结构进行剖析，盘腔子午面的流场结构和封严效率分布情况如图20 所示。从Seal A 封严结构的流场结构中可以看出，主流气体冲击动盘缘板并沿着动盘缘板上端面流入盘腔。而封严冷气在旋转泵效应的影响下沿着动盘流动，流入盘腔的主流气体将继续沿着静盘下侵，与封严冷气掺混后流入动盘侧。故封严冷气不能有效地组织起来去抵抗主流气体的入侵。从封严效率云图可以看出，Seal A 封严结构的盘腔封严效率非常低。

图20 盘腔子午面流场结构与封严效率分布Fig.20 Flow field structure and sealing efficiency distribution of disc cavity meridional plane

而Seal B 封严结构和Seal C 封严结构内部设有静盘封严环，在盘腔高半径处形成了封严容腔。在Seal B 封严结构中，沿动盘缘板上端面下侵的主流气体在封严容腔中聚集并形成涡系结构，该涡系结构消耗着入侵的主流气体，并配合沿动盘端面流动的封严冷气，将主流气体阻隔在封严容腔内。从封严效率云图可以看出，Seal B 封严结构低半径盘腔的封严效率较高，但高半径封严容腔处的封严效率却低于Seal A 封严结构，因此Seal B 封严结构牺牲了高半径封严容腔的封严效率，保护了低半径盘腔。

在Seal C 封严结构中，一方面采用静盘深腔，有利于缓冲主流高压气体。另一方面，采用修型的缘板结构，能够改变沿缘板上端面下侵的主流气体的流动方向，减少流入静盘深腔的主流气体流量。此外，动盘缘板与静盘封严环之间形成的狭窄流通通道，能够引导沿动盘流动的封严冷气吹入静盘深腔，封严冷气能更多地与主流气体在静盘深腔内发生掺混，从而更好地抵御主流气体。结合封严效率云图可知，Seal C 封严结构不仅保证了低半径盘腔高的封严效率，而且提高了高半径封严容腔处的封严效率（相比于Seal A封严结构和Seal B 封严结构），故Seal C 封严结构在密封性能上具有更好的表现。

盘腔内部切向速度比β分布如图21 所示，盘腔切向速度的变化一方面反映了涡轮盘的气流夹带情况，另一方面反映了主流与封严气流的掺混情况。图中盘腔静盘侧流体的切向速度比明显低于动盘侧，这是因为动盘旋转夹带作用，使得动盘侧流体具有较高的切向速度。从云图中亦可发现封严出口区域具有非常高的切向速度，这是主流入侵所致，具有高切向速度的主流气体通过封严间隙入侵盘腔，并与腔内封严冷气进行掺混且加速腔内气流旋转。比较3 种封严结构的切向速度比β分布可知，Seal B 和Seal C 封严结构由于静盘封严环对主流存在一定的阻隔作用，主流影响的径向深度随之变浅。Seal C 封严结构具有的静盘深腔和缘板造型进一步减轻了主流的影响。

图21 切向速度比β 分布Fig.21 Distribution of tangential velocity ratio β

图22给出了该工况下盘腔不同半径处的封严效率分布，封严效率沿盘腔半径增大的方向是降低的。对于Seal A 封严结构，主流气体沿静盘直接入侵盘腔深处，无法对盘腔进行有效地密封，在很大范围内封严效率较低且没有变化。静盘安装封严环后，盘腔下部封严效率得到了较大提升，封严效率由30% 左右提升至90% 左右。而在高半径封严容腔区域，Seal C 封严结构的封严效率相比其他2 种封严结构具有较好的表现。在保证下部盘腔高封严效率的同时，封严容腔区域的封严效率提升了10%左右。

图22 不同半径处封严效率分布 （Rew=4.68×105， Reφ=4.8×105， FR=0.4%）Fig.22 Distribution of sealing efficiency at different radii （Rew=4.68×105， Reφ=4.8×105， FR=0.4%）

3 结 论

本文研究了主流流量、封严流量、转速对轴向封严结构、叠覆封严结构和带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构的主流通道内压力和盘腔封严效率的影响规律，并对比分析了3 种封严结构的封严性能，研究结论如下：

1）对于3 种封严结构来说，主流雷诺数的增加会使静叶尾缘和动叶前缘区域周向压力上升。主流雷诺数在（1.56～4.68）×105范围内，静叶尾缘周向压力不均匀性：Seal C＞Seal B＞Seal A。3 种结构对动叶前缘周向压力不均匀性影响较小。主流雷诺数增加使得主流通道内压力增加，外部诱导入侵加重，盘腔封严效率降低。

2）封严流量的改变对静叶尾缘周向压力和周向压力不均匀性影响较小，其仅对动叶叶间通道前缘区域存在影响。封严流量增加使盘腔更好地抵御主流气体入侵，继而提高盘腔封严效率。

3）旋转雷诺数增加，静叶尾缘周向压力和动叶叶间通道前缘压力随之增加，主流气体入侵盘腔加剧，盘腔封严效率降低。此外，旋转雷诺数增加会加剧轴向封严结构静叶尾缘周向压力不均匀性，并降低3 种封严结构的动叶前缘周向压力不均匀性。

4）通过试验与数值仿真研究发现，相比轴向封严结构，叠覆封严结构由于高半径封严容腔的设置，改变了盘腔流场结构，牺牲了高半径封严容腔处的封严效率，保证了低半径盘腔的封严效率。而带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构在叠覆封严结构基础上采用静盘深腔和缘板修型，不仅能保证低半径盘腔的封严效率，还能有效组织封严冷气将主流气体阻隔在静盘深腔之外，提高了高半径处封严容腔的封严效率。