引言封严技术一直是高性能航空发动机研发工作的重要组成部分，通过减少发动机内部气流的泄漏量，可大幅提高发动机的性能[1]。间隙控制对于发动机设计人员来说至关重要，并且需要满足当今功率输出和运行寿命的目标[2]。封严技术是目前提高发动机性能的关键研究方向之一。封严结构的研究多集中在对不同封严几何结构的影响。Zhou[3]等提出一种具有交错螺旋的新型篦齿封严结构。通过数值模拟研究密封间隙、压降、齿数和偏心对新模型的影响。Zhang[4]等利用基于多孔介质模型的计算流体动力学（CFD）分析技术，研究两种类型的螺旋篦齿封严结构。Zhao[5]等研究二级指尖封严与一级指尖封严相比的性能优势，并研究二级指尖封严的泄漏和级间压降特性。Liu[6]等根据压缩机级间（一级）篦齿密封的简化模型设计不同转速和压力比的实验台，测量整个级间的泄漏流量和总温的变化，并得到出口旋转腔中涡流比的试验结果。Kong[7]等测试不同篦齿的封严结构，比较不同齿位的级间迷宫密封的性能，在不同的转速和压力比下，测量出气腔中的泄漏流量、风阻加热和涡流比。Zhu[8]等研究低温氦气T型槽面封严的热弹流体力学特性，并对氦气T型槽面密封的热弹流体动力润滑行为在低温高压条件下进行数值模拟，考虑实际气体包括黏度和热容的特性。然而很少有关于涡轮缘板间隙泄漏特性的研究报道。国内仅周公铜[9]通过试验研究单片封严片的错移量以及缘板间隙的影响，得到不同错移量以及缘板间隙对其泄漏特性的影响规律。针对涡轮叶片缘板间隙的实际泄漏问题，由于某些封严槽结构的原因，导致无法放置整个封严片，甚至多片封严片只能依据封严槽的实际情况放置，出现封严片之间构成一定角度。本研究通过试验得到片间距对涡轮叶片缘板封严槽常见角度下，封严片组合结构、封严特性的影响规律。现有的多个封严片组合的封严形式泄漏量都是依据经验给出的估计值，因此开展了针对径向间隙泄漏特性即片间距对于缘板封严效果的影响研究，对发动机涡轮叶片安装和设计具有重要意义。1研究对象及试验方法1.1研究对象封严片的安装位置如图1所示。在发动机各种不同封严结构中，目前常用的有两种典型结构，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F001图1封严片安装位置10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F002图2实际封严结构第一种是两片平行设置，第二种是两片成角度设置。本研究将对第二种封严结构——成角度设置的封严片组合形式进行研究，以期更好地了解采用带角度的组合封严片片间距对泄漏的影响。影响封严泄漏特性的几何参数主要包括缘板间隙a和片间距c（片与片之间的间距），本试验主要针对两片带角度组合封严件之间的片间距对缘板间隙泄漏特性的影响进行研究。1.2试验装置为研究带角度封严结构对缘板间隙泄漏特性的影响，搭建的试验系统流程如图3所示。具体包括气源、进口压力调节系统、流量测量系统、试验段、测量系统、出口。实验室气源提供试验所需的稳定气流，并通过压力调节系统完成试验段进口压力的调节。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F003图3试验系统流程试验装置的实物图如图4所示。沿气流流动方向各部件分别是：电动阀、流量计、入口段（进口法兰、进气腔、整流段）、试验段、出口段。入口段进气腔用以稳定来流压力，使气流平稳地进入试验段。进出口法兰表面上都有槽，放置密封垫圈压紧密封前后段面。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F004图4试验装置实物图1.3测量系统测量系统主要包括质量流量测量、压力测量和温度测量等。试验段的压力使用PSI9116多通道压力扫描阀进行测量。压力扫描阀量程700 kPa，精度±0.05% FS；温度使用PSI9046多通道温度扫描阀以及NiCr-NiSi热电偶进行测量。温度扫描阀分辨率为0.06 ℃，满量程精度为±0.99 ℃；热电偶量程为-40~1 350 ℃，在0~100 ℃范围内可以校正到±1 ℃；采用两台不同量程层流流量计配合使用进行流量测量，测量范围为0.004 3~5.400 0 g/s，测量精度为±0.6%。1.4试验件参数定义及试验工况确定试验件如图5所示。由图5可知，封严槽长度L以及两片式组合封严片安装位置通过调整两个封严片之间的间距，研究片间距大小对泄漏量的影响。安装后对缘板间隙、片间距进行实测并记录数据。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F005图5带角度组合封严件片间距示意试验涉及的参数包括：（1）缘板间隙a：在缘板封严中，缘板间隙a为两块涡轮叶片缘板的周向距离。实际涡轮叶片的缘板间隙一般约为1.1 mm，故本研究的缘板间隙a=1.2 mm。（2）片间距c：缘板封严中，由于受到装配位置的影响，采用带角度的组合封严片，片间距c为两片封严片之间的距离。（3）径向间隙泄漏量：对带角度组合封严片的缘板间隙封严结构而言，通过组合封严片的片间距单位时间泄漏的气体质量计算。实际涡轮叶片缘板间隙中气流流动方向沿着半径方向，故称为径向间隙泄漏。而带角度的组合封严片流经片间距的气流不一定沿径向，本研究全部统称为径向间隙流动。（4）绕流泄漏量：由于封严片加工精度（或者粗糙度）引起的封严片宽度和实际封严槽宽度之间产生一定偏差（即间隙），安装时总是将封严片和槽的一侧完全贴合，而另一侧由于二者偏差将产生绕着封严片与封严槽缝隙之间的泄漏量。故单位时间内，通过封严片之间的间隙泄漏气体质量称为绕流泄漏量。（5）泄漏长度占比Y：表示在缘板封严中，片间距c占总封严槽水平长度L的比值，计算公式如下：Y=c/L (1)由于真实发动机中封严槽的总长度发生变化，在实际发动机空气系统设计时，可依据试验结果提供的泄漏长度占比与泄漏量之间的关系推算出相同泄漏长度占比Y时的泄漏量范围。（6）进出口压比π是封严结构进口总压p*与出口静压p之比，计算如下：π=p*p (2)本研究中出口压力为大气压，压比通过改变进口总压实现。对于可压缩气体的流动损失问题，压比是重要影响因素。压比的高低决定气流的流动马赫数，而马赫数反映了气流的可压缩性，对气体流动损失的影响很大。（7）换算流量G：G=mT0*p0* (3)式中：m——质量流量，kg；T0*——进口总温，℃；P0*——进口总压，Pa。具体试验气动工况分别为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5共9个压比，片间距分别为0、0.9 mm、1.6 mm、2.5 mm。1.5试验方法研究泄漏特性时先安装调试实验台，对非研究位置的可能泄漏点做密封处理，校准测量设备。对实验台进出口段、管道阀门等非研究位置的泄漏量进行测量，验证气密性。在设定的缘板间隙下，通过改变进口总压，实现压比π的变化。为确保试验数据的可靠性，再进行反行程压比（3.5、3.0、2.5、2.0、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1）的重复性试验。拆装实验台，改变片间距，获得不同几何结构下的泄漏特性曲线。2试验结果及分析2.1试验结果为了解片间距对带角度组合封严片泄漏特性的影响，研究不同片间距对泄漏特性的影响。保持封严槽总长度L不变，通过更换不同长度的封严片改变片间距。总泄漏量和总泄漏换算流量随压比变化的结果，如图6所示。图6总泄漏量和总泄漏换算流量随压比变化的结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F6a2图6(a)是缘板间隙a=1.2 mm时，不同片间距下总泄漏量随压比π的变化曲线。随着压比增大，不同片间距下的泄漏量均增大，增大的速率先减小，到临界压比2.0附近速度基本不变。不同泄漏长度占比Y下，总泄漏量和单位长度（1 mm）总泄漏量随压比变化的范围如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.T001表1总泄漏量范围片间距c/mm泄漏长度占比Y/%总泄漏量范围/（g/s）单位长度总泄漏量范围/［g/（s·mm）］000.54~2.320.004 91~0.021 120.90.580.69~3.360.006 33~0.030 601.61.030.88~4.080.008 03~0.037 122.51.611.04~5.130.009 42~0.046 65图6(b)是缘板间隙a=1.2 mm时，不同片间距下总泄漏换算流量随压比π变化的曲线。随着片间距增大，换算流量先增大后不变；当压比达到2.0~2.5，换算流量保持不变。不同泄漏长度占比Y下，对应的临界总泄漏换算流量和单位长度（1 mm）临界总泄漏换算流量如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.T002表2临界总泄漏量片间距c/mm泄漏长度占比Y/%临界总泄漏换算流量/［kg×K0.5/（s·Pa）］单位长度临界总泄漏换算流量/［kg×K0.5/（s·Pa·mm）］001.16×10-71.05×10-90.90.581.65×10-71.50×10-91.61.032.03×10-71.85×10-92.51.612.51×10-72.28×10-9径向间隙泄漏量和换算流量随压比变化的结果，如图7所示。图7(a)是缘板间隙a=1.2 mm时，不同片间距下径向间隙泄漏量随压比π的变化曲线。随着压比增大，不同片间距下的泄漏量均增大，增大的速率先减小后不变。不同泄漏长度占比Y下，径向间隙泄漏量和单位长度（1 mm）径向间隙泄漏量随压比变化的范围如表3所示。图7径向间隙泄漏量和换算流量随压比变化的结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F7a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.F7a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.T003表3径向间隙泄漏量范围片间距c/mm泄漏长度占比Y/%径向间隙泄漏量范围/（g/s）单位长度径向间隙泄漏量范围/［g/（s·mm）］0.90.580.16~1.040.001 41~0.009 481.61.030.34~1.760.003 11~0.016 012.51.610.50~2.810.004 51~0.025 53图7(b)是缘板间隙a=1.2 mm时，不同片间距下径向间隙泄漏换算流量随压比π的变化曲线。随着片间距的增大，换算流量先增大后不变；当压比达到2.0~2.5，换算流量保持不变。不同泄漏长度占比Y下，对应的临界径向间隙泄漏换算流量和单位长度（1 mm）临界径向间隙泄漏换算流量，如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.T004表4临界径向间隙泄漏换算流量片间距c/mm泄漏长度占比Y/%临界径向间隙泄漏换算流量/［kg×K0.5/（s·Pa）］单位长度临界径向间隙泄漏换算流量/［kg×K0.5/（s·Pa·mm）］0.90.584.91×10-84.47×10-101.61.038.76×10-87.97×10-102.51.611.35×10-71.23×10-9随着片间距的增大，泄漏长度占比Y增大，径向间隙泄漏量在总泄漏量中的占比逐渐增大。径向、绕流泄漏占比，如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.011.T005表5径向、绕流泄漏占比片间距c/mm泄漏长度占比Y/%径向间隙泄漏/绕流泄漏径向间隙泄漏/总泄漏0.90.580.4220.2971.61.030.7500.4292.51.611.1640.538由表5可知，当泄漏长度占比Y=1.03%时，径向间隙泄漏占比42.9%；当泄漏长度占比Y=1.61%时，径向间隙泄漏占比已达到53.8%。径向间隙泄漏占比超过50%，且径向间隙泄漏占比快速增长，成为主要的泄漏来源。2.2节能分析由于涡轮缘板间隙导致的泄漏，是从缘板下方泄漏到叶栅通道内，让冷气通过间隙与叶栅通道主流掺混，干扰主流流动，导致附加损失。在缘板间隙内加入封严结构后，虽然存在片间距，但是由于泄漏面积为片间距乘以缘板间隙，折算到整个封严槽长度即使按照最大片间距2.5 mm折算成缘板间隙只有0.027 mm，泄漏长度占比不超过1.61%，相对没有封严结构的缘板间隙而言（即泄漏长占比为100%），由于泄漏量减少，进而主流附加损失减少。从泄漏量和能量损失的关系可以看出[10]，在缘板长度为36.4 mm时，缘板间隙时为0时，能量损失系数为4.76%，当缘板间隙增加到0.4 mm后，能量损失系数增加到7.70%，按照相似理论，本文缘板长度为110 mm，相似的缘板间隙为1.2 mm时，因此加入封严结构的节能效果可以达到2.94%，节能效果非常明显。3结语通过试验研究带角度组合封严片片间距对缘板间隙泄漏特性的影响，得到结论如下：（1）在叶片缘板间隙、片间距一定的条件下，总泄漏量随压比的升高而增大，总泄漏换算流量随着压比的升高呈现先增大后不变的趋势。（2）在叶片缘板间隙一定的条件下，泄漏量随着片间距的增大而增大，径向间隙泄漏在总泄漏中的占比也逐渐增大，片间距0.9 mm时，绕流泄漏量是径向间隙泄漏量的2.36倍，是主要的泄漏来源。随着片间距增大，径向间隙泄漏逐渐成为主要的泄漏来源。（3）随着片间距的增大，泄漏长度占比Y增大，径向间隙泄漏量在总泄漏量中的占比逐渐增大。当泄漏长度占比Y为1.61%时，径向间隙泄漏量在总泄漏量的占比已经达到53.8%。（4）由于封严结构的存在减少缘板间隙泄漏量，在目前结构下，能量损失系数可减少2.96%，节能效果明显。