徑向間隙對刷式密封泄漏特性影響的數(shù)值分析

戴 偉, 王煒哲, 劉應(yīng)征, 陳漢平

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,動力機(jī)械與工程教育部重點實驗室,上海 200240)

刷式密封作為一種自適應(yīng)接觸式密封在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用較廣泛,其泄漏流量可大幅降低到迷宮密封的1/5～1/10[1-2].在電力行業(yè)節(jié)能減排的形勢下,刷式密封在服役汽輪機(jī)組的改造中逐步得到應(yīng)用[3].然而,服役汽輪機(jī)的原始設(shè)計主要采用非接觸式汽封,因而轉(zhuǎn)子表面未采取涂層等特殊工藝處理,直接更換接觸式刷式密封很容易使轉(zhuǎn)子表面過度磨損,在工程實際中常采取預(yù)留一定微小間隙的方法來避免過度磨損[4].掌握間隙大小對密封泄漏的影響具有非常重要的工程實用價值.

相對于迷宮密封[4]來說,由于刷式密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,國內(nèi)外學(xué)者大多采用各向異性的多孔介質(zhì)模型對其泄漏流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究.Dogo[5]采用改進(jìn)的Darcian多孔介質(zhì)模型對單排刷式密封進(jìn)行了數(shù)值計算,得到2種間隙條件下的泄漏流量與密封間隙內(nèi)流場特征,其計算結(jié)果與試驗測量值吻合較好.Chew等[6]在傳統(tǒng)的Darcian多孔介質(zhì)模型基礎(chǔ)上,提出了考慮黏性阻力與內(nèi)部阻力的改進(jìn)Darcian多孔介質(zhì)模型,并成功用于研究刷式密封的泄漏流動特性.此外,李軍等[7]對刷式密封泄漏流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了不同壓比和刷束厚度下的泄漏流量.李理科等[8]分析了刷式密封的摩擦熱和熱傳遞機(jī)理,并通過建立以摩擦熱為熱源的CFD模型,得到了刷絲區(qū)域的壓力、速度及溫度分布.文獻(xiàn)研究表明多孔介質(zhì)模型在刷式密封泄漏流動的數(shù)值模擬中得到了成功應(yīng)用,但以上研究主要針對接觸式安裝的刷式密封.

筆者采用多孔介質(zhì)模型研究了徑向間隙大小(c=0 mm,0.1mm,0.2 mm,0.3 mm和0.4 mm)對刷式密封泄露流動特性的影響,得到刷式密封內(nèi)的壓力分布、速度分布及泄漏流量大小,并分析了壓比對相關(guān)參數(shù)的影響.

1 數(shù)學(xué)模型

計算對象為圖1所示的單級軸對稱布置的刷式密封結(jié)構(gòu),采用軸對稱分析模型.刷絲束厚度B為0.6mm,刷絲傾角 β為 45°,刷絲直徑為76.2μm,自由高度 hbf為10.32 mm,保護(hù)高度hfh為1.4 mm,周向每厘米范圍內(nèi)有945根刷絲.轉(zhuǎn)子半徑為60.88 mm,刷前總溫300 K,總壓 0.15 MPa,出口靜壓0.1M Pa.出口靜壓確定,通過改變進(jìn)口總壓得到不同壓比下的情況.計算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖2).經(jīng)網(wǎng)格敏感性測試后所選定的最終網(wǎng)格數(shù)為13萬.采用計算流體力學(xué)商業(yè)軟件Fluent對刷絲密封泄漏流動特性進(jìn)行了二維數(shù)值模擬.湍流模型采用k-ε模型,流體介質(zhì)為可壓縮理想氣體,收斂標(biāo)準(zhǔn)為最大殘差小于10-4,邊界條件為進(jìn)出口壓力邊界條件.

采用多孔介質(zhì)模型[9-12]模擬刷式密封刷束區(qū)域的流動特性,其壓力損失方程[5]為:

圖1 刷式密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of b rush seal

圖2 刷式密封網(wǎng)格布置Fig.2 G rid division of b rush seal

式中:u、v分別為z和r方向的表觀速度;α和β分別為流體內(nèi)部阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù).

計算時將刷絲區(qū)域分成圖1所示的多孔介質(zhì)1和多孔介質(zhì)2兩部分,兩部分的徑向和軸向阻力系數(shù)的選取見表1.

表1 多孔介質(zhì)的阻力系數(shù)[13]Tab.1 Resistance coefficient of porousmedium

2 結(jié)果與分析

使用以上阻力系數(shù),在刷絲束前后不同壓比條件下對刷式密封零間隙情況下的泄漏流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬,得到泄漏量與壓比的關(guān)系.圖3給出了bayley and long的試驗數(shù)據(jù)[14]與CFD計算結(jié)果的比較.由于在小壓比時刷束較疏松,計算中阻力系數(shù)取值偏大,造成泄漏量稍偏小,但總體上計算結(jié)果與試驗值吻合較好.

圖4給出了壓比分別為1.5、2.5和3.5的情況下刷式密封泄漏量隨間隙大小的變化.從圖4中可以看出,不同壓比下泄漏量均隨間隙增大而線性增加,且壓比越大,泄漏量增幅越大,表明當(dāng)密封間隙較小時,壓比變化對泄漏量影響較小,隨著密封間隙的增大,壓比變化對泄漏量的影響越來越明顯.此外,與接觸式零間隙密封的泄漏量相比,當(dāng)間隙增大到0.1mm時,三種壓比下刷式密封的泄漏量分別增加了10倍、19倍和 26倍.

圖3 試驗泄漏量與CFD計算泄漏量的比較Fig.3 Comparison of leakage rate between experimental and calculated results

圖4 不同壓比下泄漏量隨間隙的變化Fig.4 Curves of leakage rate varying with clearance size at different pressure ratios

為進(jìn)一步了解徑向間隙大小對泄漏流動的影響,圖5給出了通過徑向間隙內(nèi)部的泄漏量占整個密封體泄漏量的比例隨壓比的變化.從圖5可以看出,隨著壓比的增大,間隙泄漏量所占比例呈下降趨勢,且間隙越小,下降幅度越大.當(dāng)間隙為0.1 mm時,僅45%～50%的泄漏量發(fā)生在間隙內(nèi)部;當(dāng)間隙為0.2 mm時,間隙泄漏量占65%～70%;當(dāng)間隙為0.3 mm和0.4 mm時,間隙泄漏量占75%～85%.由此可見,隨著徑向間隙的增大,間隙中泄漏量所占比例迅速增加.

圖6給出了壓比為2.5時密封段轉(zhuǎn)子表面處的壓力分布曲線.其中,為軸向相對位置,z*＜0的區(qū)域為刷式密封上游轉(zhuǎn)子表面區(qū)域,0＜z*＜1的區(qū)域為刷式密封段轉(zhuǎn)子表面區(qū)域,z*＞1的區(qū)域為刷式密封段下游轉(zhuǎn)子表面區(qū)域.從圖6可以看出,當(dāng)z*＜0時,隨著z*逐漸增大,只有接觸式零間隙布置方案中壓力保持恒定,而其他間隙條件下該區(qū)域的壓力呈明顯下降趨勢.當(dāng)z*＞0時,接觸式零間隙布置方案中壓力呈拋物線下降,而其他間隙條件下壓力呈線性下降.隨著間隙逐漸減小,壓力逐漸增大.間隙為0.3 mm和0.4 mm兩種情況下所對應(yīng)的壓力曲線在z*＞0.2區(qū)域基本重合.

圖5 不同壓比下間隙泄漏量所占比例Fig.5 Percentage of leakage rate caused by clearance at different pressure ratios

圖6 不同間隙下轉(zhuǎn)子表面壓力分布Fig.6 Pressure distribution on rotor surface for different sizes of clearance

圖7 不同間隙下背板處刷絲徑向壓力分布Fig.7 Pressure distribution on backplate for different sizes of clearance

圖8給出了接觸式零間隙密封和0.1 mm間隙密封下保護(hù)段區(qū)域的速度分布.對于接觸式零間隙密封,流體在后擋板頂端靠近保護(hù)段高度位置呈現(xiàn)出較大的徑向運動特征,會引起刷絲吹下,此后迅速轉(zhuǎn)為軸向運動并流向下游區(qū)域.最大流速(65 m/s)出現(xiàn)在后擋板下端的流體轉(zhuǎn)角處.由于大量流體匯聚后流出刷絲區(qū)域,在后擋板的下部會出現(xiàn)一個低速旋渦區(qū).由于徑向間隙的存在,大部分流體直接經(jīng)間隙從高壓區(qū)向低壓區(qū)膨脹流出,而在后擋板保護(hù)高度附近并沒有出現(xiàn)較大幅度的轉(zhuǎn)向流動.間隙密封內(nèi)最大流速是接觸式零間隙密封內(nèi)最大流速的5倍.

圖8 接觸與間隙(c=0.1 mm)條件下密封保護(hù)段高度周圍的速度矢量Fig.8 Velocity vector distribution along fence height of contact and non-con tact(c=0.1mm)seal

圖9 接觸與間隙(c=0.1 mm)條件下密封保護(hù)段高度周圍的壓力云圖與速度云圖Fig.9 Pressure and velocity con tour along fence height of contact and non-contact(c=0.1 mm)seal

圖9給出了壓比為2.5時,接觸與間隙(c=0.1 mm)條件下密封保護(hù)段高度周圍的壓力云圖與速度云圖.從圖9可以看出,接觸式零間隙密封內(nèi)大部分壓降發(fā)生在刷束靠近下游一側(cè),而間隙密封內(nèi)壓降分布在整個刷絲厚度區(qū)域以及間隙處.對比2種密封內(nèi)的徑向速度分布可知,接觸式零間隙密封內(nèi)流體在后擋板頂端附近出現(xiàn)“剪刀狀”的徑向流速分布,而間隙式密封中刷束區(qū)域部分流體在刷絲前部沿刷絲流下,并在間隙處匯聚沿間隙軸向流出,因此在圖9(f)所示區(qū)域B處出現(xiàn)最大流速.對于軸向速度分量,間隙的存在導(dǎo)致50%的流量在間隙內(nèi)部泄漏,因此最大流速出現(xiàn)在區(qū)域A處.對比分析表明,0.1 mm間隙密封內(nèi)最大軸向速度是接觸式零間隙密封內(nèi)最大軸向速度的12倍.

為了更加深入地研究接觸式零間隙密封和間隙密封內(nèi)的流動特征,沿流動方向?qū)⑺⑹殖?個等分的區(qū)域,分別研究每個區(qū)域內(nèi)的壓力分布.圖10給出了接觸與間隙(c=0.1 mm)條件下刷束切面的壓力分布.

從圖10可以看出,切面1和切面2上的壓力一致,均為上游壓力p u,切面7上的壓力為下游壓力p d.從切面3到切面6,壓降主要發(fā)生在刷束下半段(r*＜0.5),且壓力變化的范圍逐漸增大.對于接觸式零間隙密封,在保護(hù)高度處壓力沿徑向基本保持恒定.而在同一個徑向位置處,間隙密封內(nèi)壓力值較小且壓力沿徑向逐漸下降,因此在相同切面上具有更大的壓降.

圖10 接觸與間隙(c=0.1 mm)條件下刷束切面壓力分布Fig.10 Pressure distribution on different cut-sides of contact and non-con tact(c=0.1mm)seal

3 結(jié) 論

采用計算流體力學(xué)方法結(jié)合多孔介質(zhì)模型,對不同徑向間隙(0～0.4mm)下軸對稱布置的刷式密封泄漏流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明,相對于接觸式零間隙密封,徑向間隙為0.1 mm時的泄漏流量增加了1個數(shù)量級,且近50%的泄漏流量從徑向間隙通道中流出.當(dāng)間隙增大到0.3～0.4 mm時,約75%～85%的泄漏流量從徑向間隙中流出.此外,隨著徑向間隙的增大,間隙通道中泄漏流量所占泄漏總量的百分比迅速增加.對比接觸式零間隙布置和0.1 mm間隙密封布置方案可知,后者刷絲頂端位置處的壓力分布出現(xiàn)了拐點,且在0.13＜r*＜0.3區(qū)域內(nèi)徑向壓力梯度最大,使得刷絲區(qū)域內(nèi)的流體沿徑向加速流向轉(zhuǎn)子表面,最后從徑向間隙通道流出.刷束切面徑向壓力分布的計算結(jié)果表明,徑向間隙中的壓降主要發(fā)生在刷束靠下游一側(cè)(r*＜0.5).

[1] 李軍,晏鑫,宋立明,等.透平機(jī)械密封技術(shù)的研究進(jìn)展[J].熱力透平,2008,37(3):142-148.LI Jun,YAN Xin,SONG Liming,et al.A review of sealing technologies in turbomachinery[J].Thermal Turbine,2008,37(3):142-148.

[2] 王之棟,王宗根.航空發(fā)動機(jī)刷式密封技術(shù)的研究與展望[J].潤滑與密封,2005,171(5):203-209.WANG Zhidong,WANG Zonggen.Development and prospect of brush seal in aero-engine[J].Lubrication Engineering,2005,171(5):203-209.

[3] 楊紅,楊建道,李軍,等.刷式密封技術(shù)及其在汽輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].動力工程,2009,29(8):737-742.YANG Hong,YANG Jiandao,LI Jun,eta l.Research of the brush sea l technique and its application in steam turbine optimization design[J].Journal of Power Engineering,2009,29(8):737-742.

[4] WANG Weizhe,LIU Yingzheng.Numerical analysis of leakage flow through two labyrinth seals[J].Journal of Hydrodynamics,2006,19(1):107-112.

[5] DOGO Y,AKSIT F,DEM IROGLU M,eta l.Evaluation of flow behavior for clearance brush seals[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2008,130(1):507-512.

[6] CHEW JW,LAPWORTH B L,M ILLENER P J.Mathematical modeling of brush seals[J].Int J Heat Fluid Flow,1995,16(6):493-500.

[7] 李軍,晏鑫,豐鎮(zhèn)平.刷式密封泄漏流動特性影響因素的研究[J].熱能動力工程,2007,22(3):251-254.LI Jun,YAN Xin,FENG Zhenping.A study of the in fluence of brush-type seal on leaking stream flow characteristics[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2007,22(3):251-254.

[8] 李理科,王之棟,宋飛,等.刷式密封溫度場數(shù)值研究[J].航空動力學(xué)報,2010,25(5):1019-1024.LI Like,WANG Zhidong,SONG Fei,eta l.Numerical investigation of temperature field in brush seals[J].Journal o f Aerospace Power,2010,25(5):1019-1024.

[9] 黃學(xué)明,史偉,王洪銘.刷式密封中泄漏流動的多孔介質(zhì)數(shù)值模型[J].航空動力學(xué)報,2000,15(1):56-58.HUANG Xueming,SHI Wei,WANG Hongming.Porous medium leakage flow model of brush sea l[J].Journal of Aerospace Power,2000,15(1):56-58.

[10] 李培超,孔詳言,盧德唐.飽和多孔介質(zhì)流固耦合滲流的數(shù)學(xué)模型[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展,2003,18(4):420-426.LI Peichao,KONG Xiangyan,LU Detang.Mathematical modeling of flow in saturated porous media on account of fluid-structure coup ling effect[J].Journal of Hydrodynamics,2003,18(4):420-426.

[11] 宋穎韜,徐曾和,姜元勇.一維多孔介質(zhì)中氣體滲流與多項氣固反應(yīng)分析[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展,2004,19(6):767-773.SONG Yingtao,XU Cenghe,JIANG Yuanyong.Study on the motion o f compressible fluid and multiphase gas-solid reaction in a packed channel[J].Journal of Hydrodynamics,2004,19(6):767-773.

[12] 鄔文睿,萬津津,王瑋哲,等.600 MW 亞臨界機(jī)組主調(diào)閥蒸汽流動損失數(shù)值分析[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展,2008,23(5):502-506.WU Wenrui,WAN Jinjin,WANG Weizhe,et al.Numerical analysis on flowing loss of steam flow in a main stop and control valve o f a 600 MW sub-critical steam turbine[J].Journal of Hydrodynamics,2008,23(5):502-506.

[13] DOGU Y.Investigation of brush seal flow characteristics using bulk porous media approach[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power,2005,127(1):136-144.

[14] BAYLEY F J,LONG C A.A combined experimental and theo-retical study of flow and pressure distributions in a brush seal[J].ASME JEng Gas Turbines Power,1993,115(2):404-410.