直通式篦齿封严特性的实验研究

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直通式篦齿密封性能的数值模拟与试验研究

直通式篦齿密封性能的数值模拟与试验研究张留祥;陈俊东;耿旭辉;王红;陈海焱【摘要】The internal flow of the straight labyrinth seal of superheated steam classifier rotor shaft was numerically sim-ulated by software FLUENT,and parts of the effect factors on straight labyrinth seal were studied.The results show that the leakage of labyrinth seal is obviously impacted by the pressure differential,and it is increased with the increase of pressure differential.The leakage of labyrinth seal is increased with the increase of the throttle gap width,but the relation is non-lin-er.Under the condition of the tooth profile angle is constant,the labyrinth seal cavity depth has great influence on the leak-age when it is less than 2 mm,and has little influence on the leakage when it is more than 2 mm.The speed of the rotating shaft has no influence on the leakage.The feasibility to calculating the leakage of labyrinth seal with numerical simulation method was validated by the experiments.%利用 FLUENT 软件对过热蒸汽分级机转轴的篦齿密封的内部流场进行数值模拟，对影响其性能的部分因素进行分析。

篦齿封严封油特性的数值与实验研究

篦齿封严封油特性的数值与实验研究崔垒;李国庆;韩戈;胡嘉麟;郭宝亭【摘要】The seal is an important unit of gas turbine air system,which has a significant effect on gas turbine byrinth seal, being the most typical seal form, is widely used for sealing oil and air.The air sealing characteristics were investigated extensively in the last several decades.However, there are few studies on the oil sealing characteristics of labyrinth seal in open literatures.The oil leakage of five different labyrinth seal geometric constructions was acquired under six pressure differentials numerically and two of them were verified experimentally.Then the three-dimensional air flow field of sealing gas which is used to avoid oil leakage was analyzed to obtain the influence of pressure differential, number of teeth,tooth cavity size and angle of oil-swinging tooth upon oil sealing characteristics.As a conclusion,because of the effects on pressure distribution,turbulent kinetic energy loss and flow route, the oil sealing characteristics change regularly.Pressure differential of 5 kPa is optimum,four-tooth labyrinth reduces leakage by 6.2% than three-tooth labyrinth,bigger tooth cavity is helpful and oil-swinging tooth of 60°acts better.%封严是燃气轮机空气系统中的重要单元,其密封特性对燃气轮机性能有重要影响.篦齿作为最传统的封严结构,广泛承担着封油封气的作用.目前对篦齿的研究集中于其封气性能,对其封油特性较少涉及.本文对5种不同篦齿封严结构在6个封严压差条件下进行二维数值计算,得到滑油泄漏量,并取其中2种结构进行了实验验证.通过三维数值计算,对篦齿内部起封油作用的封严气流场进行分析,从而得出封严压差、齿数、齿腔大小、甩油齿角度等参数对篦齿封油特性的影响规律.研究发现,由于不同参数会对篦齿内部封严气的压力分布、湍动能耗散、流动路径等产生影响,篦齿的封油效果也将随参数的变化发生规律性变化.5kPa封严压差效果最佳,齿数4相对齿数3泄漏量平均减少6.2%,大齿腔更利于封油,60°甩油齿表现更好.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】7页(P41-47)【关键词】篦齿封严;封油特性;数值分析;实验【作者】崔垒;李国庆;韩戈;胡嘉麟;郭宝亭【作者单位】中国科学院工程热物理研究所 ,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所 ,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所 ,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所 ,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所 ,北京 100190【正文语种】中文【中图分类】V231.3篦齿封严作为典型的封严结构，广泛用于密封轴承腔中的滑油，以及用作控制内部空气流的限流装置[1]。

基于正交试验方法的某型燃气轮机台阶篦齿设计

响规律。

图1台阶篦齿所在二次流路1台阶篦齿模型正交试验方法是在科学研究过程中面对多因素试验常用的试验设计方法[3-4]，通过科学安排各因素进行组合，能够有效减少试验次数，节省试验成本。

本文采用正交试验方法，针对台阶篦齿的台阶高度H、封严间隙s、齿距B 齿宽t、齿高h共5个尺寸参数，选取L16（45）正交试验表，示意图，1为各因素水平表。

图2篦齿结构示意图水平H s B t h12340.51230.10.30.50.735790.10.250.450.735.5810.5表1因素水平表2数值计算针对典型台阶篦齿结构进行了建模和网格划分，建模时为避免篦齿进出口面积变化产生的局部损失影响，在进出口两侧设置了合理的稳流段。

对流体模型进行了结构化网格划分，近壁面处进行网格加密处理，底层网格厚度不超过0.02mm，图3为计算域网格分布图。

图3计算域网格分布本文采用商业软件Fluent对计算模型进行仿真分析，其中湍流模型为k-w SST，采用二阶迎风格式进行离散，收敛依据为残差降至10-5以下。

计算流体类型为理想气———————————————————————作者简介:苗海丰（1987-），男，山东即墨人，硕士，工程师，研究方向为航空发动机及燃气轮机内流与传热设计研发。

了篦齿的封严效果。

图4台阶篦齿齿腔内流线3.2泄漏量的直观分析以直观分析法对篦齿的泄漏特性进行分析，表2为16个正交试验方案以及直观分析结果。

直观分析法是通过计算各因素所有水平下的平均泄漏量K对各因素的影响效果进行评估，K的定义见下式：其中x为任意因素，i为因素的水平值，见表1。

y（x）i为x 因素第i水平的篦齿泄漏量，K（x）i为x因素第i水平的泄漏量平均值，n为水平数，本文中n为4。

图5为各因素水平变化对泄漏量的影响曲线，从图中可以看出齿形参数对泄漏量的影响情况：①随着H的增大，泄流量有所减小，随后基本保持不变。

这是由于随着H 的增大，齿间高速射流与台阶端面发生直接撞击的面积增大，导致整个齿腔内的耗散增大，篦齿封严能力提高。

密封篦齿环工艺研究

密封篦齿环工艺研究作者：王世威来源：《中国新技术新产品》2016年第06期摘要：本文是对某机封严环零件的加工工艺进行研究，根据零件的结构特点和加工精度的要求，结合高温合金材料特点，借鉴以往类似零件的加工经验，除了要依据设计图纸的技术条件安排必要的检验工序外，还应该考虑如何降低零件在加工过程中所受的切削力，减小几何变形，以此来提高零件的加工精度。

关键词：高温合金；型腔复杂；薄壁零件中图分类号：TH49 文献标识码：A1 引言随着航空领域竞争的日益激烈，航空技术的不断发展与进步，对航空产品的机械性能提出了较高的要求。

对于结构尺寸小、重量轻、精度高的薄壁零件的要求越来越多，在新型飞机结构设计与制造过程中，结构性强，重量轻，这就意味着能够提高航空产品的机动性，增强其所携带的负载能力并能获得更远的飞行能力，延长航空产品空中飞行能力。

因此，在航空港产品的设计与制造的过程中，普遍采用了整体结构设计。

整体结构可以减少零件的数目、降低结构重量，飞机可靠性成数十倍地提高。

该封严环为GH141材料，结构复杂，加工难度大，技术条件要求高，材料硬度高、无专用刀具及夹具，通过材料结构分析，制定合理的工艺路线，选择适用的刀具，确定精车加工余量，利用组合夹具加工，减少零件变型，使零件加工能够得到保证，并达到设计要求。

由于机械加工的薄壁环型零件的材料为GH4169切削加工性较差，加工硬化现象严重，为解决问题，吸收了以往的加工经验，控制零件变形量，确保零件产品质量得到保证为确保公司新机生产中任务进度，解决类似零件的加工质量和生产能力是非常重要的。

2 工艺研究盘前密封篦齿环为GH141材料，结构复杂，台阶篦齿，加工难度较大，技术条件要求高，跳动要求不大于0.03mm，壁厚2mm～3mm，材料硬度高（高于GH4169材料），通过零件结构分析，制定合理的工艺路线，选择适用的刀具，确定精车加工余量，利用组合夹具加工，减少零件变型，使零件加工能够得到保证。

篦齿式封严装置气动弹性稳定性研究

篦齿式封严装置气动弹性稳定性研究
篦齿式封严装置气动弹性稳定性研究
随着航空发动机对高性能、高推重比的要求,发动机上零部件的工作环境愈发恶劣,此时篦齿封严装置的稳定性问题则显得非常突出.该装置沿周向作节径型振动,在某些模态时,密封气体的气动阻尼可能为负值,使整个系统稳定性下降,甚至出现不稳定状态.本文采用双控制体模型计算篦齿封严装置的气动刚度和气动阻尼,然后应用有限元软件对篦齿式封严装置的稳定性进行了分析,获得了比较满意的结果.
作者：李辉李其汉晏砺堂作者单位：北京航空航天大学,动力系,北京,100083 刊名：航空动力学报ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AEROSPACE POWER 年，卷(期)：2002 17(3) 分类号：V231.92 关键词：篦齿封严气动弹性稳定性复特征值。

基于正交法的直通篦齿封严齿形几何参数对换热特性影响的试验研究

基于正交法的直通篦齿封严齿形几何参数对换热特性影响的试验研究
张勃吉洪湖杜发青帅海山王丁陆海鹰２邓明春２
（１．南京航空航天大学能源与动力学院２．沈阳发动机设计研究所南京２１００１６：沈阳１１００１５）
２．ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆ２５ｍｏｄｅｌｓｔｈａｔａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔａｂｌｅｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｈｅｔｇｅｏｍｅｔｒｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｆｎｔｉｐｔｈｉｃｋｎｅｓｓｔ，ｓｅａｌｃｌｅａｒａｎｃｅｃ，ｉｆｎｈｅｉｇｈｔｉｎｆｐｉｔｃｈＢ，ｆｒｏｎｔｉｆｎｔａｐｅｒａｎｇｌｅ口ａｎｄｂａｃｋｉｆｎｔａｐｅｒ
ｏｂｖｉｏｕｓｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｈｅｔｇｅｏｍｅｔｒｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｂｏｕｔｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｎｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔ．Ｉｎａｌｌｏｆｔｈｅ

航空发动机篦齿封严特性数值模拟

航空发动机篦齿封严特性数值模拟赵海刚;刘振侠【摘要】本文运用数值计算方法,从分析齿腔内流场和篦齿顶板换热的角度研究了篦齿的封严特性.通过多种工况的计算,分析了雷诺数和齿顶宽与齿隙之比(T/C)对篦齿腔内流动、压降损失以及齿腔顶板换热系数的影响.计算数据和实验数据吻合良好,误差较小.研究表明:雷诺数、齿顶宽与齿隙之比影响着齿腔内部流动和换热的状态,是决定篦齿封严效果的主要因素.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2010(023)001【总页数】5页(P26-30)【关键词】航空发动机;直通式封严篦齿;雷诺数;换热系数【作者】赵海刚;刘振侠【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西,西安,710089;西北工业大学,动力与能源学院,陕西,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】V231.31 引言在现代航空动力装置中，封严篦齿作为重要的密封元件得到了非常广泛的应用，其密封性能也极大地影响着发动机性能的发挥[1]。

目前，已有不少学者从静态旋转、热边界以及结构等角度研究了封严篦齿的密封机理[1～6]。

本文将数值计算和实验研究相结合，从雷诺数、齿顶宽与齿隙之比影响篦齿腔内流动状态和篦齿顶板换热的角度，对齿腔中流动规律和特点以及篦齿齿腔换热特性进行了深入的探讨和研究，通过多种工况的计算与分析，得到了雷诺数和齿顶宽与齿隙之比对篦齿封严性能影响的规律，并得出几点具有工程价值的结论。

2 实验装置与测量方法介绍此次实验在吸气式风洞中完成，整个实验装置分为进口段、均匀段、实验段、恢复段和收缩段5个部分。

其中实验段示意图如图1所示：由尺寸放大30倍的5个直通齿和4个齿腔组成。

齿高H为200 mm，齿距B为200 mm，齿顶宽T为20 mm，齿隙C可调。

风洞实验的雷诺数范围5000～100000，齿顶宽与齿隙之比(T/C)范围3.0～0.5。

图1 实验段直通篦齿分布图Fig.1 Location of straight labyrinth in experiment section实验中采用圆柱三孔针旋转法来测量流场中的压力，通过测量的总压、静压、速度偏转角计算x方向和y方向的速度分量。

燃气轮机篦齿封严特性的数值分析

第63卷第2期2021年4月汽轮机技术TURBINE TECHNOLOGYVol.63No.2Apr.2021燃气轮机篦齿圭寸严特性的数值分析贾新旺，刘飞，蔡其波(中船重工第七◦三研究所无锡分部，无锡214151)摘要:篦齿封严是燃气轮机设计过程中最普遍采用的一种非接触式密封装置。

采用Fluent软件,数值分析齿数、齿隙、齿腔深度、齿距及齿宽等结构参数对篦齿封严特性的影响。

结果表明，在保持篦齿其它结构参数不变时:增加齿数可以显著降低泄漏系数，但齿数达到4个后，泄漏系数减小幅度变小;减小齿隙或增大齿距均可以降低泄漏系数;篦齿齿腔深度存在临界值，低于该值时泄漏量会随着深度增加而降低,但超岀该值后，增加深度反而不利于封严效果;增大齿宽也能降低泄漏系数,但效果不明显。

此外，气流经过第一个齿腔后,压力系数会大幅下降，因而首个篦齿对整体的封严性能影响最大。

数值结论可以为篦齿封严设计提供参考依据。

关键词:燃气轮机;篦齿结构;封严特性;数值分析分类号:U664.1文献标识码:A文章编号：1001-5884(2021)024111_04Numerical Analysis of Gas Turbine Labyrinth Sealing CharacteristicsJIA Xin-wang,LIU Fei,CAI Qi-bo(Wuxi Division,No.703Research Institute of CSIC,Wuxi214151,China)Abstract:Labyrinth gas seals are the most commonly used non-contact seals in the design process of gas turbines.In this paper,the influence of structure parameters such as tooth number,tooth clearance,tooth depth,tooth pitch and tooth width on labyrinth gas seals is analyzed by Fluent software.The results show that the leakage coefficient can be reduced by increasing the number of tooth,but when the number of tooth reaches4,the decrease range of the leakage coefficient becomes smaller；the leakage coefficient can be reduced by reducing the backlash or increasing the pitch；There is a critical value for the depth of the labyrinth cavity,below which the leakage will decrease with the increase of the depth,but beyond this value,the increase of the depth is unfavorable to the sealing effect,and the increase of the tooth width can also reduce the leakage coefficient,but the effect is not obvious.In addition,the pressure coefficient will decrease greatly after the airflow passes through the first tooth cavity,so the first tooth has the greatest influence on the sealing performance of the whole.The numerical results can be used as a reference for the design of labyrinth gas seals.Key words:gas turbines；labyrinth gear structure；seal characteristics；numerical analysis0前言篦齿封严是燃气轮机中最广泛使用的一种非接触式流阻密封装置［1］。

台阶型封严篦齿流动特性试验研究

台阶型封严篦齿流动特性试验研究发布时间：2022-09-23T03:29:51.111Z 来源：《科学与技术》2022年第5月第10期作者：邓维赵尊盛[导读] 篦齿在发动机空气系统中具有调节空气流路温度、压力、流量等状态参数以及重要部位封严的作用邓维赵尊盛中国航发湖南动力机械研究所中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室湖南株洲 412002摘要：篦齿在发动机空气系统中具有调节空气流路温度、压力、流量等状态参数以及重要部位封严的作用，因此在航空发动机上应用十分广泛。

掌握台阶型封严篦齿的流量特性对空气系统设计具有重要参考价值。

本文通过测量典型篦齿在不同转速、进出口条件下的流量，获得了台阶型篦齿封严泄漏的流动特性。

关键词：航空发动机空气系统台阶型篦齿现代航空发动机空气系统担负着为发动机提供安全可靠工作环境的重任，需确定、控制和保证发动机主要零部件及有关系统在整个发动机飞行包线内要求的内部工作环境以及热状态。

篦齿在发动机空气系统中具有调节空气流路温度、压力、流量等状态参数以及关键部位封严的重要作用，并广泛应用于航空发动机转-静装配间隙的密封。

封严篦齿具有结构简单、易于加工和成本低等优点。

其泄漏特性对空气系统的冷气流量分配有重要影响，一方面需要保证冷气供应量，以满足发动机冷却需求，另一方面需要减少冷气供应量，以降低发动机的性能损失。

因此控制封严篦齿的泄漏量、掌握其泄漏特性与相关参数的关系对空气系统的元件设计及分析过程中的模型校准等工作具有重要参考价值。

篦齿密封结构最常见的为直通型和台阶型，国内外对直通型篦齿密封的密封机理及影响规律作了大量研究。

文献[1]对直通型篦齿密封进行了数值分析和试验研究，得到几何参数对篦齿密封特性的影响。

文献[2]对台阶型篦齿密封进行数值分析，得到影响泄漏量的主要因素。

目前国内公开发表的有关台阶型篦齿密封的试验研究较少，且没有对真实尺寸台阶型篦齿密封进行泄漏测量。

本文通过高速密封试验台，对真实尺寸台阶型篦齿密封的泄漏情况进行了测量，获得了不同的篦齿结构参数及不同的压差下篦齿的泄漏流量大小，从而更全面掌握封严篦齿的泄漏特性，为空气系统封严设计提供充分参考与依据。

盘缘篦齿封严特性的数值模拟

ｅｆｅｃｔｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｓｉｎｇｌｅ，ｗｕｎｄｅｒｔｈｅｓａＨｔｅｒ（ｗｌｉｌａｃｌｅａｒ（ｍｃｅｓ，ｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅａｘｉａｌｃｌｅａｒａｎｃｅｓ，ｔｈｅｂｅｔｔｅｒｔｈｅｓｅｌａｅｆｅｃｔ；
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＡｉｒｃｒａｆｔＥｎｇｉｎｅ；ＲｉｍＳｅａｌ；ＬｅａｋａｇｅＲａｔｅｓ；Ｓｅａｌ
１引言
篦齿封严被广泛运用于航空发动机上，用于阻隔高低压腔之间的流体泄漏ｌ】Ｉ。随着航空发动机性能的不断提高，封严的泄漏
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第７期２０１３年７月
盘缘篦齿封严特性的数值模拟
胡城镇，王锁芳，夏子龙
（南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京２１００１６）
ａｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅＳ（１ｉｎｅａｘｉｌａｃｌｅａｒｎｃａｅｓ，ｔｈｅｓｍｌａｌｅｒｔｈｅｒａｄｉｌａｃｌｅａｒａｎｃｅｓ，ｔｈｅｂｅｔｔｅｒｔｈｅｓｅｌ￣ａｆｆｅｃｔ．

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6000 9000 12000 15000 雷诺数 Re
图 7 转速对泄漏系数的影响
4 结论
本文通过实验研究了真实尺寸下篦齿的泄漏特性，并分析了齿数、间隙以及转速对泄漏系数的影响，主要有以下几点结论：
1）在实验范围内，篦齿泄漏系数均随雷诺数的增加而增大； 2）在实验范围内，泄漏系数随齿数的增加而降低； 3）在实验范围内，同一雷诺数下，间隙越大，泄漏系数越小； 4）在实验范围内，同一雷诺数下，小间隙（s=0.4、0.5）时，转速对泄漏系数的影响不大；间隙为 s=0.6 时，有无转速对泄漏系数有明显区别，但各转速间的泄漏系数基本一致。
直齿
N=3 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷诺数 Re
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=4 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷诺数 Re
工况泄漏系数明显偏大，封严效果最差；N=3、4 的工况泄漏系数基本一致，封严效果居于中间地位；N=5 的工况泄漏系数明显偏小，封严效果相对最好。这是由于齿数越多，齿槽空腔的数目越多，而从篦齿盘进口泄漏出去的气体大部分在每个齿槽空腔内旋转一周后才进入下一个齿槽空腔内，齿槽数目的增加实际上造成了泄漏出去的气体沿程阻力明显增大，流程明显增长，因而产生的泄漏就相对较小，即封严效果就相对要好一些。
/A D⋅s
，其中：
D
为由篦齿盘体外径测量的平均值。
篦齿封严结构中,以篦齿的泄漏系数作为评价其密封效果优劣的主要依据，为使实验数据
能推广应用于压力、温度与实验值不同的工况，本文将实验结果整理成泄漏系数ϕ 与雷诺数的关系。篦齿泄漏特性采用泄漏系数ϕ 定义为：
ϕ = m& r Ti* / (Pi* ⋅ A)
3000 6000 9000 12000 15000 雷诺数 Re
3.2 间隙的影响
图 5 齿数对泄漏系数的影响
泄漏系数φ 泄漏系数φ
0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
0
直齿
s=0.6 n= 0 N=2 N=3 N=4 N=5
3000 6000 9000 雷诺数 Re
s = D静环内径 − D篦齿盘外径；
ρ ——篦齿盘进口处的气流密度；
μ ——空气的动力粘性系数。
在实验过程中，篦齿盘进口处的平均流速V 通过流量计测得到并修正后的体积流量 Qv 和入口处的篦齿盘体和静环之间的间隙截面积 A 计算得出。V 和 A 的具体表达式如下：
⎧V
⎨ ⎩
A
= =
Qv π⋅
0
直齿
N=5 s=0.5 n= 0 n=1000 n=2000 n=3000 n=4000 n=5000
3000 6000 9000 12000 15000 雷诺数 Re
0.025
0.020
0.015 0.010 0.005 0.000
0
3000
直齿
N=5 s=0.6 n= 0 n=1000 n=2000 n=3000 n=4000 n=5000
3000 6000 9000 12000 15000 雷诺数 Re
泄漏系数 φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=3 s=0.6 n= 0 n=2000 n=4000
3000 6000 9000 12000 15000 雷诺数 Re
泄漏系数 φ
0.025
0.020
高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集
编号：A-100016
直通式篦齿封严特性的实验研究
张霞，朱惠人，张效伟，马会强
（西北工业大学动力与能源学院，西安 710072）（联系电话：15191436378 ，E－mail：zhangxia810@）
摘要：直通式篦齿在航空发动机中应用广泛，但对它的研究还是不够透彻，本文通过实验对真实尺寸下篦齿的
1 引言
篦齿封严作为广泛使用的一种非接触式封严结构，一方面可以减少工作流体泄漏带来的压力能、热能等能量损失从而提高涡轮效率，另一方面可以提高涡轮这一热端部件的可靠性及耐久性，保证发动机的结构的完整性。国内外学者对其密封机理及影响规律作了大量研究[1]。上世纪初，Martin，Egli，Vermes等人从机理上对篦齿封严做了阐述，最早提出了泄漏流量的计算方法[2-4]。此后，国内外的研究者通过实验和数值模拟的方法，研究了封严间隙与篦齿几何参数（包括齿尖厚度比、封严间隙与节距比、齿数、蜂窝结构、齿尖倒角半径、齿腔深度、齿高、封严环磨损槽等）和转速等对泄漏量的影响。在众多类型的篦齿封严中，直通式篦齿最原始，密封效果较差，但由于其结构简单，易于加工，至今仍在广泛使用。国内对直通式篦齿密封进行了大量的研究，王锁芳进行了直通型篦齿转、静态下流量特性的实验研究，结果表明在实验转速范围内，转速对直通型篦齿泄漏量影响很小[5]；吴丁毅也通过大量的实验系统地研究了直通篦齿结构的泄漏特性[6]。本文采用实验的方法，测量直通式直齿在多种几何参数组合下泄漏量随雷诺数的变化情况，分析了间隙、齿数和转速对封严特性的影响，研究结果可以为空气系统计算提供依据，同时也为设计计算方法的校核提供数据。
图 1 篦齿封严实验系统示意图
图 2 篦齿实验台实物图
2.2 实验原理
图 3 实验件实物图
实验对雷诺数 Re 进行如下定义：
图 4 静环实物图
Re = ρVd μ
（1）
其中：V ——计算得到的篦齿盘进口处的平均流速；
d ——由篦齿盘体和静环之间的间隙 s 计算得到的测量平均值得到的水力间隙直径，
−
−
2 实验装置与实验原理
2.1 实验装置
图 1、图 2 为实验系统示意图和实物图，由供气系统（过滤、减压）、流量测量系统和压力测量系统以及电动系统组成，主要包括油泵及供油箱、空气压缩机、过滤器、减压器、调压器、玻璃转子流量计以及压力扫描阀等。实验中，来自空气压缩机的压缩空气，经过滤器、减压器、调压器和流量计进入进气腔，然后通过小孔排入大气。系统采用不同量程的转子流量计的并联方式，各流量计后均有阀门控制流量。流量计前均有减压阀，减压阀能有效的过滤气流波动，提供稳定的气源。图 3 为实验件实物图，图 4 为静环实物图。
这种现象的主要原因如下：
由于理想状态方程可得：
•
mr = ρi ⋅ vi ⋅ A = [Pi / (Rg ⋅Ti )]⋅ vi ⋅ A
带入式（2）中可得：
（4）
•
φ = mr Ti* /(Pi* ⋅ A) = vi （/ Rg ⋅ Ti）
（5）
可见，在总温相差不大的情况下，泄漏系数仅与流速有关，而流速又是雷诺数的主要影响因素，因此，同一雷诺数下，篦齿盘的间隙越大，流速就越小，泄漏系数也就越小。
（2）
其中： m& r 为由间隙泄漏出去的气体的实际质量流量， Pi* 、Ti* 为篦齿盘进口处气流的总
压和总温。
3 实验结果及分析
在实验中主要研究了雷诺数、齿数、间隙以及转速对封严性能的影响。气流流经篦齿缝
隙时，由于每个齿都存在节流现象，所以齿间空腔内存在滞留损失、出口处存在突扩损失，
这些损失导致经篦齿盘泄漏出去的气体的实际质量流量远远小于无损失存在下的理论质量流
泄漏系数φ
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000 0
直齿
N=5 n=2000 s=0.4 s=0.5 s=0.6
3000 6000 9000 12000 15000 18000 雷诺数 Re
图 6 间隙对泄漏系数的影响
图 6 给出了间隙对泄漏系数的影响情况，由图 6 可以看出，在不同实验工况下，泄漏系数随雷诺数的增加而增大。此外，在较大雷诺数变化范围内，间隙 s=0.4 的工况泄漏系数较 s=0.5、0.6 的工况明显偏大，封严效果最差。对于齿数 N=2、3 和 4 的工况，s=0.6 的工况泄漏系数较 s=0.5 的工况大部分都有比较明显的减小，封严效果相对最好；而对于 N=5 的工况，s=0.6 的工况泄漏系数大部分与 s=0.5 的工况有一定交错。
3.3 转速的影响
图 7 是转速对泄漏系数的影响情况，由图 7 可以很明显地看出：在不同实验工况下，泄漏系数随雷诺数的增加而增大。此外，在较大雷诺数变化范围内，间隙 s=0.6 的各个转速工况下，零转速的封严效果最差，其他转速下的泄漏系数与零转速有明显区别，但各转速间的泄漏系数相差不大，整体的封严效果较零转速要好，而 s=0.4、0.5 的各个转速工况（包括零转速）基本一致，这与文献[6]中的研究结果非常相似。出现这种现象的主要原因是：泄漏气流流动状态的改变程度。众所周知，篦齿盘静止时泄漏气流的流动状态相对稳定，由文献[7]可知，进入齿腔的气流速度开始减小，在齿腔中部达到最小并形成涡心，当转速逐渐增加时，篦齿盘的转动必然会对泄漏气流的稳定流动产生扰动，主要会对齿腔内的旋涡状态产生影响，比如涡心位置的移动和旋涡由稳定状态向非稳定状态的转变等，小间隙（s=0.4、0.5）下产生的扰动不足以影响到旋涡的稳定状态，所以转速对泄漏系数的影响几乎可以忽略不计，但对于间隙 s=0.6 的工况，间隙的增大导致流进空腔的气流量明显增加，其产生的扰动对初始形成的旋涡造成了很大的影响，致使篦齿空腔内的流动状态相对于静止状态发生了本质变化，该变化一旦完成，就达到了稳定状态，再增加转速，也仅仅是流动状态量的差别，这也就是大间隙时零转速下的泄漏系数和有转速下的泄漏系数有明显区别，但各转速间泄漏系数几乎不变的原因。