引言在高性能航空发动机的研发工作中，先进的封严技术在发动机领域的决定性地位以及在几何结构上的改进和设计使得部件泄漏问题得到改善。未来航空发动机的性能提升潜力的50%将取决于封严技术的改进和泄漏量的降低[1]，因此封严技术是目前比较看好的能大幅度提高发动机效率的研究方向之一[2-3]，也成为当前的研究热点。目前主要采用试验研究、经验公式以及数值计算等方法对封严结构的封严机理和流动特性的影响进行分析。大部分研究仅考虑不同封严结构内流体流动对封严泄漏的影响[4-5]，而对于涡轮叶片缘板间隙泄漏特性的研究较少。周公铜[6]搭建实验台对涡轮叶片缘板封严进行研究，得到不同几何结构对泄漏特性的影响规律。现有缘板间隙的泄漏量都是依据经验给出的估计值，掌握缘板封严效果的影响因素对发动机涡轮叶片安装和设计具有重要意义。本研究从局部几何结构参数出发，研究缘板错移量对涡轮叶片缘板插片封严特性的影响，通过试验得出错移量对封严泄漏的影响规律，为缘板间隙泄漏量的计算提供有效试验数据支撑。1研究对象及试验方法1.1研究对象羽状封严又称缘板封严，结构及安装位置如图1所示。缘板封严通过在涡轮叶片缘板间开封严槽，装入封严片减少相邻叶片缘板的间隙泄漏。本研究主要通过试验研究缘板错移量对缘板间隙封严泄漏特性的影响。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F001图1羽状封严结构及安装位置1.2试验装置试验系统流程如图2所示。系统包括压气机（提供气源）、进口压力调节系统、流量测量系统、试验段、出口压力调节系统等。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出口压力的调节。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F002图2试验系统流程试验装置示意图如图3所示。入口段中进气腔体积设计得足够大达到降低来流速度的目的，稳定来流压力，同时将整流段采用维式曲线设计，有利于气流平稳地进入试验段。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F003图3试验装置示意图为了便于出口法兰与试验段的安装，将出口段设计成一个小腔，并通过斜面过渡到大腔。试验过程中，气流从试验件出口以接近15∶1的比例面积直接突扩进入出口腔，压力和温度将在腔中后部测量。进出口法兰表面都开有槽，放置密封垫圈压紧密封前后端面。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。试验段的压力测点使用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 ℃，精度±2.5 ℃，在0~100 ℃范围内可以校正到±1 ℃；采用两台不同量程的层流流量计配合使用进行流量测量，测量范围为0.004 3~5.4 g/s，测量精度为±0.6%。1.4试验件本试验选用的试验件如图4所示，为插入到缘板封严槽中的羽状封严片，错移量通过更换不同厚度的错位片实现。实验时两端面进行密封，防止泄漏。安装后将对缘板间隙缘板错移量进行实测并记录。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F004图4羽状封严片结构示意图1.5工况确定及相关参数说明本研究中封严槽宽度为0.5 mm，封严片厚度为0.2 mm，几何工况为3个缘板间隙a（1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm）和4个错移量b（0、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm），气动工况为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5共10个压比。本次试验涉及的参数为：（1）缘板间隙a：在羽状封严中，缘板间隙a为两块涡轮叶片缘板的周向距离。（2）错移量b：在羽状封严中，错移量b为两块涡轮叶片缘板出现径向错位的距离。（3）压比：封严结构进口总压p*与出口静压p之比。进出口压比π的计算公式为：π=p*p (1)压比的高低决定气流的马赫数，而马赫数的大小反映气流的可压缩性，对气体流动损失具有很大的影响。（4）换算流量G：G=mT0*p0* (2)式中：m——质量流量，kg；T0*——进口总温，℃；p0*——进口总压，Pa。2试验结果与理论分析为了更好地了解羽状封严的周向泄漏特性，研究不同缘板错位量对其泄漏特性的影响。缘板错移量的改变通过更换不同厚度的错位片实现。2.1试验结果缘板间隙为1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm时不同错移量下流量和换算流量随压比变化分别如图5、图6和图7所示。图5间隙1 mm时不同错移量下流量和换算流量随压比变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F5a1（a）流量随压比变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F5a2（b）换算流量随压比变化图6间隙1.1 mm时不同错移量下流量和换算流量随压比变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F6a1（a）流量随压比变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F6a2（b）换算流量随压比变化图7间隙1.2 mm时不同错移量下流量和换算流量随压比变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F7a1（a）流量随压比变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F7a2（b）换算流量随压比变化图5(a)、图6(a)、图7(a)是不同缘板间隙、不同错移量下，流量随压比变化的曲线。随着压比增大，不同错移量下的流量均增大，增长趋势几乎相同。由于本次试验保证出口压力不变，通过改变进口总压的方式改变压比，到了临界压比位置流量保持增大的趋势。随着进口总压的变化，同时进口温度也发生变化，进而影响临界点参数大小，因此流量随压比的增加一直保持上升的趋势。图5(b)、图6(b)、图7(b)是不同错移量下换算流量随压比变化的曲线。可以看出，随着压比增大，不同错移量下的流量均呈现先增大后不变的趋势，临界压比在2.0~2.5左右。缘板间隙1.0 mm时不同压比下流量和换算流量随错移量变化如图8所示，缘板间隙1.1 mm时不同压比下流量和换算流量随错移量变化如图9所示，缘板间隙1.2 mm时，不同压比下流量和换算流量随错移量变化如图10所示。图8间隙1 mm时不同压比下流量和换算流量随错移量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F8a1（a）流量随错移量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F8a2（b）换算流量随错移量变化图9间隙1.1 mm时不同压比下流量和换算流量随错移量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F9a1（a）流量随错移量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F9a2（b）换算流量随错移量变化图10间隙1.2 mm时不同压比下流量和换算流量随错移量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F10a1（a）流量随错移量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F10a2（b）换算流量随错移量变化图8(a)、图9(a)、图10(a)是不同压比下流量随错移量变化的曲线。可以看出，随着错移量增大，不同压比下的流量均呈现先增大后减小的趋势，在错移量b=0.1 mm时，泄漏流量比错移量为0时更大。这是由于较小的错移量使得羽状封严片与一侧封严槽之间间隙增大，使得气体更容易泄漏；错移量继续增大，错位的封严槽将封严片卡住，使得两者更贴紧，泄漏量变小，当错移量为0.3 mm时，泄漏量已经比不错位时更小。图8(b)、图9(b)、图10(b)是不同压比下换算流量随错移量变化的曲线。可以看出，随着错移量增大，不同压比下的换算流量均呈现先增大后减小的趋势，趋势与流量随错移量变化曲线相同。2.2理论分析由于封严槽宽度为0.5 mm，封严片厚度为0.2 mm，在没有错移量时，封严片是贴近封严槽的右侧，此时泄漏量主要是由于槽和封严片之间粗糙度间隙造成。不同错移量时羽状封严截面图如图11所示，当错移量为0.1 mm时，由于较小的错移量使得羽状封严片与一侧封严槽之间空隙增大，造成泄漏面积增大；当错移量为0.3 mm时，由于封严槽宽度为0.5 mm，封严片厚度为0.2 mm。当错移量增大到0.3 mm时，羽状片已经紧贴另一侧封严槽，错位的封严槽将封严片卡住，使得两者更紧密，泄漏面积减小，因此泄流量达到最小。可以推测，若继续增大错移量，封严槽会给羽状片一个力使其弯曲变形，但羽状片本身的弹性使两者继续贴紧，泄漏面积与错位量0.3 mm时几乎一样，直到羽状封严片发生塑性形变。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.012.F011图11不同错移量时羽状封严截面图3结语通过试验研究缘板错移量对羽状封严周向绕流泄漏流动特性的影响，得出结论：（1）随着压比增大，不同错移量下的流量均增大，且增长趋势几乎相同。而不同错移量下的换算流量则均呈现先增大，到临界压比2.0~2.5左右后，呈现出不变的趋势。（2）随着错移量增大，不同压比下的流量以及换算流量均呈现先增大后减小的趋势，较小的错移量使得羽状封严片与一侧封严槽之间间隙增大，使得气体更容易泄漏。（3）错移量较大时，错位的封严槽将封严片卡住，使得两者更贴紧，泄漏量反而减小。