超超臨界汽輪機汽封漏汽流動特性的數(shù)值模擬研究

李　洋，馬振杰，文萃萃，肖增弘

(沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.能源與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

?

超超臨界汽輪機汽封漏汽流動特性的數(shù)值模擬研究

李洋a，馬振杰a，文萃萃a，肖增弘b

(沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.能源與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：利用ANSYS軟件對梳齒型、側(cè)齒型和蜂窩型汽封的內(nèi)部氣體流動特性進行數(shù)值模擬分析，其結(jié)果表明：在相同的特征尺寸和邊界條件下，梳齒型汽封出口壓力最高，蜂窩型汽封出口壓力最低。在梳齒型汽封中，氣流在汽封齒與凸臺之間形成的蒸汽室內(nèi)將產(chǎn)生漩渦；側(cè)齒汽封由于增加了側(cè)齒，產(chǎn)生的漩渦強度將增大；蜂窩汽封在每個小蜂窩中將產(chǎn)生漩渦，漩渦強度最小，節(jié)流效果最明顯。蜂窩式汽封的漏汽量最小，梳齒型汽封漏汽量最大。當出口壓力相同、入口壓力不同時，隨著入口壓力的增加，3種汽封的漏汽量也隨之增加；當出、入口壓力相同時，隨著汽封段長度的增加，3種汽封的漏汽量均減小。

關(guān)鍵詞：蜂窩式汽封；梳齒型汽封；側(cè)齒型汽封；數(shù)值模擬；漏汽量

流體在汽封內(nèi)的流動狀態(tài)比較復(fù)雜，而且在汽輪機運行狀態(tài)下要想獲取汽封內(nèi)部產(chǎn)生的三維紊流流動模型也是非常困難的。因此，要獲得汽封的幾何參數(shù)以及流體流動的特征參數(shù)只能利用流體分析軟件。由流體的流動特性可知，汽輪機動靜之間的間隙越小，汽封的漏汽量就越小。但動靜間隙過小，汽輪機在運行中很容易發(fā)生動靜摩擦；而且為了避免汽輪機組在運行過程中發(fā)生低頻振動，提高軸系穩(wěn)定性，汽輪機的動靜間隙也不能過小，那么汽封結(jié)構(gòu)的合理性就變得尤為重要。

傳統(tǒng)的汽輪機汽封通常采用梳齒型汽封，但隨著機組容量的增加，蒸汽參數(shù)的升高，梳齒型汽封漏氣量增大問題越來越突出。側(cè)齒汽封是在梳齒汽封的一個高齒上進行改造，在垂直汽封齒的方向上再添加1~2道沿軸向方向的齒形，當氣流遇到這種階梯形齒的時候會形成渦流，起到了阻尼作用。上世紀末美國航天領(lǐng)域的科學(xué)家對液體燃料渦輪泵的密封問題做了研究，發(fā)現(xiàn)蜂窩式結(jié)構(gòu)的密封可達到很好的效果。

針對上述3種汽封的內(nèi)部汽體流動特性，利用ANSYS軟件進行了研究。在相同的邊界條件下，通過改變不同的參數(shù)，分析了汽封齒的應(yīng)力場和汽流的速度場分布情況，并計算出三種汽封的漏氣量變化，為超超臨界機組汽輪機汽封的設(shè)計、運行和檢修提供一定的理論依據(jù)。

1數(shù)學(xué)模型的建立

梳齒型汽封的汽封環(huán)材料通常為不銹鋼；側(cè)齒汽封是在梳齒型汽封的基礎(chǔ)上，不改變原汽封齒和腔室的結(jié)構(gòu)，只是在汽封齒側(cè)面或腔室頂部加工出側(cè)齒或頂齒，增加其熱力學(xué)效應(yīng)和摩阻效應(yīng)，來達到減少漏汽的目的；蜂窩汽封通常是由厚度為0.05～0.1 mm的鎳基薄板制成的正六面體網(wǎng)格經(jīng)過特殊焊接而成的，其中六邊形蜂窩孔的對邊距離為0.8～6 mm，蜂窩深度為1.6～6 mm。

1.1三維模型的建立

在用數(shù)值方法分析前，首先要建立汽封的三維模型。由于汽封為軸對稱結(jié)構(gòu)，可以對汽封模型進行簡化以減少計算步驟，并能保證結(jié)果的準確性和可靠性。因此，取汽封圓周上π/360弧度的小弧段，由于弧度較小可以將弧段看作是一個長方體形狀，選擇適當尺寸分塊后進行網(wǎng)格劃分，可以得到整齊的六面體網(wǎng)格?？紤]到蜂窩汽封的特殊性，對蜂窩汽封采用非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格。

1.2網(wǎng)格劃分

為了比較3種汽封內(nèi)部氣流的流動情況和漏汽量，3種汽封齒均選取了典型的特征尺寸。汽封齒和轉(zhuǎn)子之間的距離s為0.35 mm；汽封齒和蜂窩之間的高度h選擇4 mm；凸臺的寬度t為6 mm。整個汽封分為3組，長度分別為24 mm、36 mm和54 mm。側(cè)齒汽封的側(cè)齒高度為2 mm，汽封齒和蜂窩的厚度為0.25 mm，汽封的尺寸和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　汽封尺寸和網(wǎng)格劃分

2數(shù)值模擬計算

為了比較不同類型汽封的內(nèi)部流動和漏汽量，需要用數(shù)值方法求解三維Navier-Stokes方程與標準K-s方程的紊流模型封閉方程組。汽封內(nèi)部流動的三維控制方程為

div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ

(1)

其中，ρ為流體密度，U為流體速度矢量，φ為通用變量，可以代表u，v，T，k和ε等為求解變量，Γφ為廣義擴散系數(shù)，Sφ為廣義源項。

對于上述控制方程的求解采用有限體積法進行離散，對流項采用二階迎風格式進行求解，擴散項采用一階迎風格式進行求解。標準K-s方程紊流模型用于封閉求解的方程組，采用 SIMPLE 算法對離散方程進行數(shù)值求解。

當汽輪機在正常工況下運行時,流體在汽封內(nèi)為穩(wěn)定流動狀態(tài)?？紤]到汽封的對稱性，現(xiàn)對1個弧段的汽封進行研究，其中弧段的兩個斷面為周期性邊界?？紤]到在汽輪機正常運行時汽封漏汽情況，將與汽封齒有微小間隙的邊界設(shè)成旋轉(zhuǎn)邊界，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，入口壓力和出口壓力為固定值；對不同類型的汽封設(shè)定3組不同的入口壓力和汽封長度進行數(shù)值模擬，三組不同的入口壓力分別為0.068 MPa、0.078 MPa和0.088 MPa，三組不同的汽封長度分別為24 mm、36 mm和54 mm。

3結(jié)果分析

利用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬，得到了汽封內(nèi)部的蒸汽壓力分布和流速分布，結(jié)果如圖2和圖3所示。

3.1壓力場分析

從圖2中可以看出，汽封內(nèi)流體的壓力沿蒸汽的流動方向逐漸降低，在每一個小汽封室內(nèi)壓力變化不大，但在汽封齒與凸臺形成的狹小間隙內(nèi)，由于蒸汽受到節(jié)流作用而導(dǎo)致壓力迅速下降。

在相同的入口壓力下，3種汽封的出口壓力不同。梳齒型汽封的出口壓力最高，側(cè)齒型汽封次之，蜂窩汽封的出口壓力最低；并且在沿氣體流動的方向上，相同長度的汽封內(nèi)，蜂窩型汽封的壓力降低得最多，側(cè)齒型汽封次之，梳齒型汽封最少。

圖2　3種汽封內(nèi)部汽體壓力分布圖

3.2速度場分析

從圖3中可以看出，在梳齒型汽封中，當氣流經(jīng)過汽封齒與凸臺形成的狹小間隙時，產(chǎn)生節(jié)流作用，流速增大，而且氣流在進入汽封齒與凸臺形成的蒸汽室時產(chǎn)生了漩渦，其動能轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能；側(cè)齒汽封產(chǎn)生了與梳齒汽封相似的流動效果，但由于側(cè)齒的作用，產(chǎn)生漩渦的效果更佳明顯；蜂窩型汽封汽流在每一個小蜂窩汽室內(nèi)都產(chǎn)生漩渦，蒸汽的動能更多地轉(zhuǎn)化為熱能，壓力沿蒸汽流動的方向下降得更加明顯。

3.3漏汽量分析

在相同的出口壓力和不同的入口壓力下，不同類型汽封的漏汽量如圖4所示。隨著汽封段入口壓力的增加，汽封的漏汽量不斷增加；梳齒型汽封的漏汽量最大，側(cè)齒型汽封次之，蜂窩型汽封的漏汽量最小。

在相同的出入口壓力和不同的汽封段長度下，不同類型汽封的漏汽量如圖5所示。隨著汽封段長度的增加，汽封的漏汽量不斷降低；蜂窩型汽封的漏汽量最小，側(cè)齒型居中，梳齒型汽封的漏汽最大。

圖3　3種汽封內(nèi)部汽體流場分布

圖4　不同入口壓力汽封的漏汽量

圖5　不同汽封長度的漏汽量

由此可見，其結(jié)果是由于三種汽封不同的結(jié)構(gòu)造成的。蒸汽在梳齒型汽封內(nèi)流動時受到的阻力小，產(chǎn)生的漩渦比較小，節(jié)流作用不明顯，所以漏氣量比較大；側(cè)齒型汽封由于有側(cè)齒的作用，蒸汽的碰到側(cè)齒后受到擾動，產(chǎn)生了較大的漩渦，節(jié)流效果明顯，所以漏氣量比梳齒型汽封要?。环涓C型汽封中，蒸汽在每一個小的蜂窩體內(nèi)都形成了漩渦，有效的阻止了蒸汽的流動，節(jié)流效果明顯，漏氣量最小。

綜上所述，建議在汽輪機軸端采用蜂窩汽封，在隔板處采用側(cè)齒汽封，在葉頂采用梳齒型汽封。

4結(jié)論

通過對3種不類型汽封的數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論：

1)在相同的入口壓力下，梳齒型汽封出口壓力最高，側(cè)齒型汽封次之，蜂窩型汽封出口壓力最低；在梳齒型汽封中，氣流在汽封齒與凸臺之間形成的蒸汽室內(nèi)將產(chǎn)生漩渦；側(cè)齒汽封由于增加了側(cè)齒，產(chǎn)生的漩渦強度將增大；蜂窩汽封在每個小蜂窩中將產(chǎn)生漩渦，漩渦強度最小，節(jié)流效果最明顯。

2)當不同類型的汽封具有相同特征尺寸時，梳齒型汽封的漏汽量最大，側(cè)齒型汽封的漏汽量次之，蜂窩型汽封的漏汽量最少。

3)當汽封段的入口壓力和出口壓力不同時，汽封的漏汽量不同，壓差越大漏汽量就越大，且漏汽量與入口壓力大致呈線性關(guān)系。

4)汽封長度不同時，漏汽量不同，汽封的長度越長，節(jié)流產(chǎn)生的阻力越大，漏汽量越小。

參考文獻

[1]李軍,鄧清華,豐鎮(zhèn)平.蜂窩汽封和迷宮式汽封流動性能比較的數(shù)值研究[J].中國電機工程學(xué)報,2005,25(16):108-111.

[2]盛偉，劉旭東，衛(wèi)運剛.蜂窩汽封流場及泄漏特性的數(shù)值模擬研究[J].汽輪機技術(shù),2009(3):201-203.

[3]何立東.蜂窩密封研究及其在現(xiàn)代葉輪機械中的應(yīng)用[J].通用機械,2003(4):49-51.

[4]胡丹梅,商洪濤,黃瑛琪.汽輪機節(jié)點式側(cè)齒汽封密封性能的數(shù)值分析[J].潤滑與密封,2010,35(7):37-39.

[5]付喜量,劉文毅,常 屹.高低齒汽封的數(shù)值模擬研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2012(23):106-108.

[6]劉輝，郝新艷，張紅蓮，等.汽輪機汽封系統(tǒng)設(shè)計研究[J].汽輪機技術(shù)，2002，44(3)：159-161.

[7]何立東，袁新，尹新.刷式密封研究的進展[J].中國電機工程學(xué)報，2001，21(12)：28-32.

[8]黃典貴，李雪松.大型旋轉(zhuǎn)機械中汽封間隙流激振力的分析——非定常N-S解[J].中國電機工程學(xué)報，2000，20(6)：75-78.

[9]李雪松，李久華，黃典貴.迷宮氣封齒型對轉(zhuǎn)子動力學(xué)系數(shù)的影響[J].中國電機工程學(xué)報，2002，22(5)：130-133.

(責任編輯張凱校對佟金鍇)

The research of numerical simulation for steam vapor seal leakage

LI Yanga,MA Zhen-jiea,WEN Cui-cuia,XIAO Zeng-hongb

(a.Graduate Department; b.School of Energy and Power Engineering,Shenyang

Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：The numerical simulation of internal vapor flow characteristics of the comb-type steam seal,side tooth steam vapor seal and honeycomb seal with ANSYS software shows that the outlet pressure of comb-type seal is the highest while the pressure of honeycomb seal outlet is the lowest under the same feature size,the same boundary conditions.In the comb type seal,airflow formed vortex in the steam room between the gland tooth and the convex platform.Due to the added lateral teeth,the vortex intensity in the lateral teeth gland is increased.For the honeycomb seal,the throttling effect is obvious each because each small cellular produces spiral.It can thus be seen that the steam leakage from the cellular steam seal is minimum while that from comb-type steam seal is the largest.With the increasing steam inlet pressure,the steam leakage of all three seals increases under same outlet pressure and different inlet pressure.And with the increasing steam seal length,the steam leakage of all three seals decreases under same outlet and inlet pressure.

Key words：Honeycomb seal;Comb labyrinth seal;Lateral teeth seal;Numerical simulation;Air leakage

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.009

作者簡介：陸榮峰(1971-),男,內(nèi)蒙古赤峰人，工程師。

收稿日期：2014-07-29

中圖分類號：TK263.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)01-0035-04