摘要：采用数值求解三维RANS方程和SST湍流模型的方法，研究了间隙结构对轮缘密封封严性能以及封严射流对透平级气动性能的影响。首先，分别对Aachen的一级半透平以及实验测得的轴向轮缘密封结构进行了数值计算，验证了所用数值方法在透平级气动性能以及密封封严性能方面计算的有效性。在此基础上，分析对比了5种封严射流流量下出口面积相同的直缝间隙、倾斜间隙，以及在倾斜间隙基础上改型得到的渐缩、渐扩间隙等4种密封结构的封严性能和封严射流对透平级气动性能的影响。结果表明，轮缘密封间隙结构会影响到间隙射流，进而导致不同间隙结构下透平级总压损失不同。与直缝间隙相比，倾斜间隙可以有效减小封严射流造成的总压损失，同时具有较高的封严性能；渐缩、渐扩间隙的封严性能与倾斜间隙相近，其中渐扩间隙可以更为有效地减小封严射流造成的气动损失。
关键词：透平级；涡轮；轮缘密封；气动性能；数值研究
中图分类号：TK474.7
文献标志码：A
文章编号：0253-987X（2015）03-0025-07
涡轮转、静部件之间有一轮盘腔室，工作时由于主流与盘腔间存在压差，所以高温主流燃气会侵入轮盘腔室而导致涡轮盘过热。为保证涡轮盘安全、可靠地工作，必须对其进行冷却。在盘腔中一般通人由压气机级引入的冷气对涡轮盘及动叶根部进行冷却，同时这部分冷气还将作为轮缘密封封严气流，用来提高盘腔内压力，进而阻止外环高温主流燃气入侵。性能优良的轮缘密封从压气机引入的冷气量较少，却能保证整机效率提高，因此对轮缘密封封严性能和主流透平级气动性能影响的研究具有重要的工程应用价值。
Bohn在1.5级透平实验台上研究了轴向和径向密封对主流入侵上游盘腔的影响。Teramachi等采用实验和数值的方法研究了包含静叶和静叶上游盘腔的4种密封齿结构的轮缘密封封严性能。Narzary在单级透平实验台上对单齿和双重轮缘密封进行了实验研究。Hills等数值研究了主流燃气通过涡轮轮缘密封入侵轮盘腔室的非定常流动特性。Mirzamoghadam对高压透平的轮缘密封燃气入侵特性进行了定常数值研究。Zhou等对轴向轮缘密封的燃气入侵特性进行了数值研究，并采用孔板模型对结果进行了分析。
虽然轮缘密封的设计目的是减少封严冷气量，但是封严冷气汇入主流流道后会影响主流流动形态，进而改变通道内涡系结构，造成气动损失。优良的轮缘密封结构不仅具有好的封严性能，还应使得封严气流导致的气动损失尽可能的小。本文采用求解三维RANS方程和SST湍流模型的方法，从轮缘密封的封严性能及其对透平级气动性能的影响出发，对不同间隙结构的轮缘密封进行了分析，以期为高性能轮缘密封设计提供参考。
1计算模型与计算方法
1.1计算模型
以涡轮轴向轮缘密封为对象，开展了直缝间隙、倾斜间隙结构，以及在倾斜间隙结构基础上改型得到的渐缩和渐扩间隙结构的密封封严性能，和通过密封间隙的封严射流对主流透平级气动性能影响的研究。倾斜间隙结构的轴向倾角为45°，改型时出口间隙不变，密封中心线倾角不变。图1给出了密封结构及计算域，密封结构的出口间隙Sc均为8mm。
轮缘密封结构的几何参数包括：轮缘密封端面半径b=345mm，轮缘密封轴向间隙Sc，x=8mm，轮缘密封径向间隙Sc，r=4.4mm，盘腔动静间距S=30mm，轮缘密封轴向间隙比Gc，x=Sc，x/b=0.023，盘腔间隙比G=S/b=0.087。计算时轮缘密封轴向间隙相同，密封出口处间隙位置相同。主流通道中透平级选用中的高负荷小展弦比透平叶型，静叶数为30，动叶数为45。
1.2计算方法及验证
1.2.1封严效率的计算方法及验证 实验中通常采用CO2浓度法进行轮缘密封的封严效率研究，即在主流中加入示踪气体，通过测量盘腔内固定测点位置的示踪气体浓度来表征主流入侵盘腔的程度及轮缘密封的封严效率。密封浓度封严效率计算如下
εc=（cs-ca）/（c0-ca） （1）
式中：cs为参考点示踪气体浓度；ca为主流进口示踪气体浓度；c0为冷气流进口示踪气体浓度。
本文通过采用添加附加变量和求解湍流输运方程的方法来模拟示踪气体在主流通道及盘腔内的输运扩散过程。通过求解附加变量湍流输运方程可以获得示踪变量的浓度分布，从而模拟实验中CO2示踪气体分布。湍流流动下的标量输运方程的通用形式如下
在流动过程中，示踪气体浓度场的形成伴有流动对流传递，同时湍流扩散也会影响浓度场的分布，因此示踪气体扩散系数的确定是准确模拟示踪气体浓度分布的关键。通过与实验结果对比发现，本文封严计算方法是可靠的。根据实验工况，计算时扩散系数应在300K时选取，标准大气压下CO2在空气中的扩散系数为1.6e-5m2/s。
计算中封严射流进口的示踪变量浓度值为1kg/m3，主流进口浓度值为0kg/m3。主流入侵和封严冷气流的掺混会导致计算域中示踪变量浓度值介于0和1之间。根据式（1），盘腔处于完全封严状态时浓度封严效率为1，盘腔处于完全入侵状态时浓度封严效率为0。
图2给出了不同冷气流量下基于基准点的浓度封严效率实验值与计算值对比。实验及计算中选择的浓度封严效率基准点为r/b=0.958，r为轮盘半径。定义相对冷气流量mw=m/μb，m为封严射流质量流量，μ为动力黏性系数。 出口气流角是反映透平级气动性能的一个重要参数。定义气流角
β=arctan（Wt/Wz）（180/π （6）
图15给出了封严流量比为2%时直缝间隙与倾斜间隙结构在动叶出口处的气流角分布。从图15可以看出：在动叶出口区域，不同的间隙结构对中部及下部叶高范围内的气流角会产生影响；在75%以上的相对叶高区域，2种间隙结构的动叶进口气流角分布基本一致；在75%以下的相对叶高区域，采用倾斜间隙结构明显减小了上、下端壁附近二次流引起的气流角欠、过偏转的程度。该结果再次证明了倾斜间隙结构可以减小气动损失。
图16、17分别给出了封严流量比分别为1%和2%时直缝间隙与倾斜间隙结构下主流透平级动叶吸力面极限流线。从图16、17可以看出：极限流线的分离位置基本反映出叶片出口处通道涡的位置；对于直缝间隙结构，封严流量比为1%时动叶出口下部通道涡约位于54%叶高处，封严流量比为2%时动叶出口下部通道涡约位于60%叶高处；对于倾斜间隙结构，封严流量比为1%时动叶出口下部通道涡约位于54%叶高处，封严流量比为2%时动叶出口下部通道涡约位于63%叶高处。封严射流流量发生变化会改变下部通道涡的位置，相比于直缝间隙结构，倾斜间隙结构下部通道涡的位置并没有明显变化。
2.3渐缩、渐扩间隙结构的密封性能分析
图18给出了渐缩、渐扩及倾斜间隙结构的封严效率对比。从图18看可以看出：改型后间隙在封严性能并没有明显的变化；当封严流量比达到1.5%时，3种结构均达到了完全封严状态。
图19给出了渐缩、渐扩及倾斜间隙结构的等熵效率对比。从图19可以看出：随着封严射流量比的增加，通道涡强度增强，损失增大，等熵效率降低；相对于倾斜结构，渐扩间隙结构在5种封严射流工况下均有更高的等熵效率，而渐缩间隙结构的等熵效率低于倾斜间隙结构。
图20给出了封严流量比为1%时渐缩、渐扩及倾斜间隙结构的动叶出口总压分布。相比于倾斜间隙结构，渐扩间隙结构可以进一步减小动叶出口总压损失，而渐缩间隙结构反而增加了动叶出口的总压损失。这是因为，当封严射流经过渐扩通道时，射流速度逐渐降低，射流在汇入主流时的径向速度较小，穿透能力较弱，附着壁面的能力更好，对主流的扰动较小，因而损失较小；反之，当采用渐缩间隙结构时，出口射流径向速度较大，穿透能力较强，气动损失较大。
3结论
本文采用三维RANS方程和SST湍流模型研究了4种间隙结构的轮缘密封封严性能和密封间隙射流对透平级气动性能的影响。
相比于直缝间隙结构，采用倾斜间隙结构时的封严效率有所提高，尤其在动盘面且靠近密封处表现得最为明显，同时动叶出口处气流偏转程度减小，通道涡的强度减小，动叶出口总压损失减小。直缝、倾斜间隙结构下的通道涡的位置变化不明显。从封严性能和对主流气动性能影响两方面来看，倾斜间隙结构的密封性能优于直缝间隙结构。
通过对渐扩及减缩间隙结构的研究表明，其在封严性能方面与倾斜间隙结构相近，但在对主流气动性能影响方面，渐扩间隙结构可以更有效地减小动叶出口总压损失。