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航空发动机篦齿结构流动特性的实验研究

作　者: 胡东旭
导　师: 贾力
学　校: 北京交通大学
专　业: 工程热物理
关键词: 航空发动机封严篦齿流动特性泄漏系数压力分布量纲分析
分类号: V231
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

本文以航空发动机中直通型和台阶型两种典型的篦齿结构为基础,设计和搭建了一套实验件便于更换且节流间隙可调的实验系统。探究了进出口压比、节流间隙、齿腔结构、齿数及衬套结构等因素对篦齿结构流动特性的影响规律。获得了篦齿内部沿流动方向的压力分布,分析了经过各个齿腔后压降的大小。本文还对封严篦齿结构的流动过程进行了量纲分析,将篦齿流道看作是等截面流道,将齿尖节流和齿腔涡流造成的机械能损失等效为沿程阻力造成的机械能损失,获得了其等效摩阻系数f=F(Re,Dh/L)和fRe=F(Ma,Dh/L)的表达式。根据文献调研和本文的研究目的,设计加工了直通型篦齿实验件20个,台阶型篦齿实验件28个,不同结构尺寸的衬套(端盖)8个。实验中进出口压比范围为1.1-3.5,节流间隙范围为0.2-0.6mmm。对比分析了两种篦齿结构的流动特性,总结其共同特点如下：在本文的工况下,泄漏量随着齿腔深度的增加而增加,随着齿腔宽度的增加而减小；齿尖厚度对篦齿的密封性能影响很小；增加齿数能显著提高篦齿的密封性能。对于直通型篦齿,当齿数由2增加到5时,泄漏量降低了45%；对于台阶型篦齿,当齿数由3增加到5时,泄漏量降低了约28%；沿流动方向,齿腔内压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小。由于台阶型篦齿消除了透气效应,导致其封严性能相较于直通型篦齿提高了40%以上,且对节流间隙的敏感性低于直通齿。本文通过在衬套上加工凹槽的形式探究了衬套磨损槽对直通型篦齿密封性能的影响,结果表明衬套磨损槽的存在可使泄漏量增加达30%。对于台阶型篦齿,本文设计了1.5mm、2.5mm和3.5mmm三种不同台阶高度的衬套,其台阶越高,密封性能越好；通过移动衬套探究了篦齿和衬套轴向相对位置对泄漏特性的影响,结果表明篦齿齿尖位于衬套台阶中心时,泄漏量最大。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 前言  12-26
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 篦齿封严简介  13-15
    1.2.1 篦齿封严机理  14
    1.2.2 篦齿封严类型  14-15
  1.3 国内外研究现状  15-24
    1.3.1 篦齿结构封严性能参数  15-16
    1.3.2 篦齿封严流动特性研究  16-23
    1.3.3 等截面通道内的流动特性  23-24
  1.4 本文的主要工作内容  24-26
2 篦齿流动特性实验系统  26-40
  2.1 实验装置  26-32
    2.1.1 供气系统  26-27
    2.1.2 实验段结构  27-31
    2.1.3 实验参数范围  31-32
  2.2 实验参数测量  32-34
    2.2.1 压力测量  32-33
    2.2.2 流量测量  33-34
    2.2.3 温度测量  34
    2.2.4 节流间隙测量  34
  2.3 实验过程  34-35
  2.4 实验数据处理  35-37
  2.5 实验误差分析  37-38
  2.6 本章小结  38-40
3 直通型篦齿流动特性研究  40-58
  3.1 进出口压比对流动特性的影响  40-41
  3.2 节流间隙对流动特性的影响  41-44
  3.3 齿腔几何结构对流动特性的影响  44-49
    3.3.1 齿腔深度的影响  44-46
    3.3.2 齿腔宽度的影响  46-47
    3.3.3 齿尖厚度的影响  47-49
  3.4 齿数对流动特性的影响  49-51
  3.5 衬套磨损槽对流动特性的影响  51-54
    3.5.1 轴向相对位置的影响  52-53
    3.5.2 径向相对位置的影响  53-54
  3.6 沿流动方向压力损失规律  54-57
  3.7 本章小结  57-58
4 台阶型篦齿流动特性研究  58-72
  4.1 台阶型与直通型篦齿流动特性对比  58-62
    4.1.1 进出口压比对流动特性影响效果对比  58-59
    4.1.2 节流间隙对流动特性影响效果对比  59-62
  4.2 齿腔几何结构对流动特性的影响  62-68
    4.2.1 齿腔深度的影响  62-63
    4.2.2 齿腔宽度的影响  63-64
    4.2.3 齿尖厚度的影响  64-65
    4.2.4 齿尖倾角的影响  65-67
    4.2.5 台阶高度的影响  67-68
  4.3 齿数对流动特性的影响  68-69
  4.4 篦齿与衬套轴向相对位置对流动特性的影响  69-70
  4.5 沿流动方向压力损失规律  70-71
  4.6 本章小结  71-72
5 篦齿流动特性的理论分析  72-88
  5.1 篦齿结构中流动特性的量纲分析  72-81
    5.1.1 量纲分析的基本原理与方法  72
    5.1.2 直通型篦齿流动特性的量纲分析  72-78
    5.1.3 台阶型篦齿流动特性的量纲分析  78-81
  5.2 篦齿结构泄漏量的理论分析  81-86
    5.2.1 经典的篦齿泄漏量计算公式  81-84
    5.2.2 篦齿和等截面流道流阻特性对比  84-86
  5.3 本章小结  86-88
6 结论及展望  88-90
  6.1 主要结论  88-89
    6.1.1 直通型和台阶型篦齿流动特性的共同特点  88
    6.1.2 直通型和台阶型篦齿流动特性的不同特点  88-89
    6.1.3 篦齿流动特性的其他特点  89
  6.2 工作展望  89-90
参考文献  90-94
附录  94-96
作者简历  96-100
学位论文数据集  100

航空发动机篦齿结构流动特性的实验研究

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