航空发动机篦齿封严特性数值模拟研究

摘要

篦齿封严结构以其结构简单，维护方便且封严特性好等优势被广泛应用在航空发动机内流腔室间的气体封严系统中。流体在封严结构内通过能量耗散达到密封效果，篦齿几何结构对其封严性能优劣影响很大，通过数值分析手段系统开展篦齿几何结构参数对泄漏特性的影响分析可以更好地认识篦齿封严机理，获得规律性的分析结果用于指导工程应用。
　　论文首先对国内外篦齿封严特性相关文献进行总结分析，归纳了各类因素对篦齿泄漏量的影响以及典型篦齿封严结构封严特性优劣对比研究成果;其次对应用于篦齿结构封严特性的CFD数值模拟方法中关键的网格模型和湍流模型进行了验证分析;应用模拟手段对比研究了几组不同类型典型篦齿结构内部流场特性以深入了解其封严机理，并在此基础上考察单个关键几何因素对篦齿封严特性的影响趋势;最后将航空发动机常用的九种篦齿结构建立统一的参数化结构模型，并基于CFD分析开展篦齿几何结构参数对篦齿泄露特性影响的正交试验研究，利用直观和方差分析定性和定量地讨论几何参数对泄漏量的影响规律，对九种典型篦齿结构封严特性优劣进行对比分析，得到篦齿几何参数对泄漏量影响的权重规律。
　　论文利用数值模拟手段揭示了篦齿封严的节流效应，射流效应，涡流效应以及透气效应四个基本作用机理。数值研究通过分析节流间隙、齿宽、齿间距、台阶高度、齿倾斜角度等参数对各种篦齿结构泄漏量的影响趋势与原因，揭示出前倾下台阶型篦齿结构封严特性最优，后倾直通型篦齿封严特性最弱。基于CFD分析的正交试验研究直观分析表明，篦齿泄漏量随节流间隙和齿宽的增大而增大，随齿数与齿间距的增大而减小，随齿高、前后壁面夹角和台阶距离的变化规律性不强。方差分析表明，篦齿几何参数中齿数、节流间隙和台阶高度对封严特性影响非常显著，齿宽和倾斜角影响显著，齿高、齿间距、台阶距离和前后壁面夹角影响不显著。节流间隙对泄露量的影响权重大于65％，齿数影响权重为16.5％，台阶高度，齿宽和倾斜角度影响权重为14.3％，其余参数影响权重总和小于4％。论文研究成果为航空发动机篦齿结构的工程设计及优化提供了详实的参考依据。

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致谢

摘要

图表索引

符号说明表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 篦齿封严的密封原理

1．2．2 篦齿封严分类

1．2．3 篦齿封严的研究现状

1．3 研究目标与内容

2 篦齿结构气体流动数值分析模型

2．1 篦齿几何结构

2．2 控制方程

2．3 数值方法

2．3．1 网格敏感性分析

2．3．2 湍流模型影响分析

2．4 实验验证系统

2．5 小结

3 典型篦齿封严特性数值模拟研究

3．1 直通型篦齿封严特性数值分析

3．1．1 结构特点及数值计算模型

3．1．2 流场特性(速度，湍动能，压力)

3．1．3 几何参数对直通型篦齿封严特性影响分析

3．2 直台阶型篦齿封严特性数值分析

3．2．1 结构特点及数值计算模型

3．2．2 流场特性(速度，湍动能，压力)

3．2．3 几何参数对直台阶型篦齿封严特性影响分析

3．3 斜台阶型篦齿封严特性数值分析

3．3．1 结构特点及数值计算模型

3．3．2 流场特性(速度，湍动能，压力)

3．3．3 倾斜角对篦齿封严特性的影响分析

3．4 典型篦齿封严特性对比分析

3．5 小结

4 基于CFD分析方法的篦齿封严特性正交试验研究

4．1 统一参数化的篦齿模型

4．2 正交试验法

4．2．1 正交试验法介绍

4．2．2 正交试验设计步骤

4．3 篦齿封严特性正交试验设计

4．4 正交试验结果分析

4．4．1 几何参数对篦齿泄漏量的影响

4．4．2 不同篦齿类型泄漏特性对比分析

4．4．3 几何参数权重分析

4．5 小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 前景展望

参考文献

作者简历

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