(海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧 沈陽 110031)

光軸迷宮密封泄漏流動(dòng)特性影響因素的數(shù)值研究

張森森

(海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧 沈陽 110031)

采用數(shù)值求解三維粘性Reynolds-Averaged Navier-stokes(RANS)方程技術(shù),研究汽輪機(jī)低壓光軸迷宮式隔板密封內(nèi)泄漏流動(dòng)特性及其影響因素。采用有限體積方法離散控制方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型封閉求解方程組，同時(shí)考慮軸的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。針對(duì)典型的光軸整體加工尖齒隔板密封，分別數(shù)值研究了相同的軸向距離和徑向間隙下三種齒間距在不同壓比下的泄漏流動(dòng)特性，計(jì)算了相應(yīng)的無量綱流量系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示出迷宮隔板密封與軸之間的環(huán)形腔室內(nèi)三維渦流使泄漏流動(dòng)的動(dòng)能有效地耗散成熱能，起到了密封的作用。研究結(jié)果表明在相同的幾何尺寸下迷宮隔板密封的泄漏量隨著壓比的減小而增大，在相同的壓比條件下，泄漏量隨著密封齒間距的減小而減小。本文的研究工作對(duì)合理有效地設(shè)計(jì)迷宮式隔板密封提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

光軸迷宮密封；泄漏流動(dòng)；旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；無量綱流量系數(shù)；數(shù)值模擬

0 引言

現(xiàn)代火力發(fā)電廠技術(shù)對(duì)動(dòng)力裝置越來越高的要求推動(dòng)了汽輪機(jī)密封技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的轉(zhuǎn)子和靜子間的動(dòng)密封技術(shù)可顯著提高汽輪機(jī)的工作效率和可靠性。汽輪機(jī)的密封裝置的結(jié)構(gòu)主要是迷宮式密封、刷子密封和蜂窩密封[1]。迷宮式密封由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單和成本低，所以迷宮式密封是汽輪機(jī)最常用的密封裝置。迷宮式密封的密封原理是密封齒與轉(zhuǎn)子間形成的一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，使通過的氣體產(chǎn)生節(jié)流與熱力學(xué)效應(yīng)而達(dá)到密封效果。

密封按其裝置位置的不同可分為軸端密封(軸封)，隔板密封和通流部分密封(葉頂密封)三類。對(duì)于隔板密封，在汽輪機(jī)的高壓端，缸內(nèi)蒸汽壓力高，為減少蒸汽的泄漏量，一般采用高低齒式汽封。在低壓端，常采用光軸汽封，以適應(yīng)轉(zhuǎn)子和汽缸較大差脹的需要。隨著節(jié)能和現(xiàn)代火電技術(shù)的發(fā)展，超臨界汽輪機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，蒸汽壓力高，級(jí)間密度大，造成漏氣損失增加，而為了防止或減緩密封片的磨損，又不能選擇過小的間隙，因此合適的低壓隔板密封設(shè)計(jì)，既可以減少漏汽損失，又可以避免機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生轉(zhuǎn)子低頻振動(dòng)，提高軸系穩(wěn)定性[2]。

由于光軸迷宮式隔板密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)造成其內(nèi)部的三維紊流，使得實(shí)驗(yàn)研究其內(nèi)部流動(dòng)特性變得非常困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)水平的發(fā)展，數(shù)值研究迷宮式隔板密封內(nèi)部流動(dòng)，分析密封的結(jié)構(gòu)尺寸和工況條件對(duì)其密封效果的影響，提高隔板密封設(shè)計(jì)水平，逐漸在汽輪機(jī)制造業(yè)受到重視而得到相應(yīng)的發(fā)展。劉有軍[3]采用數(shù)值方法研究了迷宮密封的湍流增阻來提高其密封效果。Schlienger[4]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了兩種不同形狀的葉頂汽封內(nèi)部流動(dòng)特性，主要研究分析了葉頂汽封內(nèi)的泄漏流對(duì)葉柵流道內(nèi)二次流影響的特性。Denecke[5]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了動(dòng)葉葉頂汽封齒與溝槽的形狀和相對(duì)位置對(duì)泄漏量的影響。Denecke[6]最近采用LDV技術(shù)試驗(yàn)研究了考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的具有三個(gè)臺(tái)階的迷宮式密封內(nèi)總溫的發(fā)展規(guī)律。Vakili[7]采用試驗(yàn)和數(shù)值方法研究了兩種密封齒結(jié)構(gòu)的二維高低齒迷宮式密封的泄漏流動(dòng)特性，分析了密封的泄漏流動(dòng)和總壓損失機(jī)理。紀(jì)國劍等[8]和張宏濤等[9]采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和三維數(shù)值模擬的方法研究了迷宮密封的流場(chǎng)特性和泄漏量變化規(guī)律。Freitas等[10]采用CFD方法三維數(shù)值研究了不同迷宮密封幾何結(jié)構(gòu)對(duì)其泄漏特性影響的基本規(guī)律。但是對(duì)于考慮高速旋轉(zhuǎn)的光軸迷宮式隔板密封汽封的結(jié)構(gòu)尺寸和工況條件對(duì)其泄漏流動(dòng)影響的數(shù)值研究的報(bào)道卻較少。

針對(duì)典型的整體加工直齒的光軸迷宮隔板密封，采用數(shù)值求解三維粘性Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程，研究其內(nèi)部泄漏流動(dòng)特性以及密封的結(jié)構(gòu)尺寸和工況條件對(duì)其密封效果的影響。采用有限體積方法離散控制方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型封閉求解方程組，同時(shí)考慮軸的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。數(shù)值研究了相同的軸向距離和徑向間隙下3種齒間距在不同壓比下的泄漏流動(dòng)特性，計(jì)算了相應(yīng)的無量綱流量系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示出迷宮隔板密封與軸之間的環(huán)形腔室內(nèi)三維渦流使泄漏流動(dòng)的動(dòng)能有效地耗散成熱能，起到了密封的作用。分析了齒間距和壓比對(duì)迷宮密封泄漏量的影響。本文的研究工作對(duì)改進(jìn)光軸迷宮密封的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

圖1給出了光軸迷宮式隔板密封的結(jié)構(gòu)圖，圖1(a)中進(jìn)氣口，轉(zhuǎn)子，密封和出氣口構(gòu)成了迷宮式隔板密封的通流部分，圖1(b)描述了密封的結(jié)構(gòu)尺寸，其中隔板密封的軸向距離是55.2 mm，圖中所示的密封齒間距是8 mm，密封齒與轉(zhuǎn)軸之間的徑向間隙是0.44 mm。在隔板密封進(jìn)氣口與出氣口壓差的作用下，密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)流經(jīng)密封間隙時(shí)，其部分壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，該速度能隨即在密封齒與轉(zhuǎn)軸間形成的環(huán)形腔室由于湍流渦旋耗散為熱能而不能恢復(fù)為壓力能，這樣使通過的流體產(chǎn)生節(jié)流與熱力學(xué)效應(yīng)，泄漏流體的壓力逐漸降低而達(dá)到密封效果。影響迷宮式隔板密封泄漏量的因素主要包括隔板密封軸向距離、密封間隙、密封齒間距、密封齒高度以及密封的前后壓差。由于隔板密封的軸向距離、密封間隙和密封齒的高度由機(jī)組的結(jié)構(gòu)所確定。所以本文研究在固定的密封間隙，密封軸向距離和密封齒高低的條件下，密封齒間距和前后壓差對(duì)其泄漏流動(dòng)特性的影響。

圖1 光軸迷宮隔板密封結(jié)構(gòu)圖Fig.1 two-dimensional Structure of the straight-through labyrinth seal

光軸迷宮式隔板密封內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成其泄漏流動(dòng)是典型的三維紊流，為了正確分析光軸迷宮式隔板密封內(nèi)部流場(chǎng)特性和計(jì)算泄漏量，采用商用CFD軟件ANSYS-FLUENT數(shù)值求解三維粘性Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS_方程。三維隔板密封內(nèi)部流動(dòng)的控制方程如下:

(1)

式中ρ——流體密度;

U——流體速度矢量;

φ——通用變量，可以代表速度u，v，w以及k和ε等求解變量;

Γφ——廣義擴(kuò)散系數(shù);

Sφ——廣義源項(xiàng)。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用計(jì)算一段弧段的方法分析整個(gè)隔板密封內(nèi)部流場(chǎng)的辦法，弧段的兩個(gè)斷面是周期性邊界。流體是過熱蒸汽。由于計(jì)算區(qū)域的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格(如圖1(c)所示)。采用有限體積方法離散控制方程，對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解，擴(kuò)散項(xiàng)采用1階迎風(fēng)格式進(jìn)行數(shù)值求解。k-ε兩方程紊流模型用于封閉求解的方程組，采用SIMPLE算法對(duì)離散方程進(jìn)行數(shù)值求解。計(jì)算區(qū)域中轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速是3 000 r/min，模擬中將轉(zhuǎn)軸壁面設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)壁面。

為了研究在相同密封軸向距離和間隙條件下，密封齒間距和壓比對(duì)密封泄漏量的影響特性，需要計(jì)算不同工況下的無量綱流量系數(shù)。無量綱流量系數(shù)反映了在一定熱力參數(shù)條件下密封的泄漏程度。無量綱流量系數(shù)由式(2)進(jìn)行計(jì)算

CD=m/mt

(2)

式中m——數(shù)值模擬三維流場(chǎng)得到的汽封泄漏量;

mt——等熵條件下的理論泄漏量，由式(3)計(jì)算得到

(3)

式中p1——進(jìn)口壓力;

T1——進(jìn)口溫度;

σ——進(jìn)口壓力與出口壓力之比;

A——汽封環(huán)形間隙的面積;

k——絕熱指數(shù);

R——?dú)怏w常數(shù)。

2 結(jié)果分析與討論

光軸迷宮式隔板密封計(jì)算模型的幾何參數(shù)是密封軸向距離是55.2 mm，密封齒與轉(zhuǎn)軸的間隙s=0.44 mm，分別對(duì)齒間距t是4 mm，8 mm和12 mm進(jìn)行計(jì)算。圖2給出了三種齒間距下靜壓等值線分布。其中進(jìn)口總壓是0.112 MPa，進(jìn)口總溫是392.95 K，出口靜壓是0.072 MPa，壓比為出口靜壓與進(jìn)口總壓之比是0.64。圖2中的壓力值是與大氣壓相減后的壓力相對(duì)值。從圖2中可以看出密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)經(jīng)過密封齒與轉(zhuǎn)軸之間的環(huán)形空腔的靜壓是呈階梯式下降，直到達(dá)到出口靜壓。這是由于密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)在進(jìn)口與出口壓差的作用下，泄漏流動(dòng)經(jīng)過密封間隙時(shí)，壓力能轉(zhuǎn)化為泄漏流動(dòng)的動(dòng)能，隨即在環(huán)形腔室內(nèi)由于湍流渦流將速度能耗散為熱能，這樣密封泄漏流動(dòng)的壓力在環(huán)形腔室內(nèi)呈階梯式下降。

圖3給出了三種齒間距下的密封泄漏流動(dòng)三維流線圖。從圖3中可以看出密封齒間距對(duì)泄漏流動(dòng)模式的影響。齒間距是4 mm的密封內(nèi)泄漏流動(dòng)由于環(huán)形腔室的增加，泄漏流動(dòng)的湍流渦流有效地將其耗散成熱能，環(huán)形腔室內(nèi)的回流區(qū)明顯小于齒間距是8 mm和12 mm內(nèi)的泄漏流動(dòng)，這樣導(dǎo)致密封效果更好。從圖3中可以看出密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)由于軸的旋轉(zhuǎn)作用而具有周向速度，這樣可以減小泄漏流動(dòng)。為了更好分析環(huán)形腔室內(nèi)回流區(qū)的模式，圖4給出了光軸迷宮式密封泄漏流動(dòng)二維流線圖。從圖4可以很清楚地看出密封齒間距對(duì)環(huán)形腔室內(nèi)回流區(qū)地影響。泄漏流動(dòng)經(jīng)過徑向機(jī)械能由壓力能轉(zhuǎn)化為的動(dòng)能，在隨后的環(huán)形腔室內(nèi)由于湍流耗散和壁面剪切應(yīng)力的作用，將密封間隙的泄漏射流動(dòng)能有效地耗散為熱能。密封齒間距的減小，環(huán)形腔室個(gè)數(shù)相應(yīng)增加，在湍流渦流和壁面剪切應(yīng)力的作用下，泄漏流動(dòng)的動(dòng)能耗散成熱能要大于密封齒間距大的密封，這樣導(dǎo)致泄漏量的減小。

圖2 光軸迷宮式密封的靜壓等值線分布Fig.2 Static pressure contours distribution in the straight-through labyrinth seal

圖3 光軸迷宮式密封的三維流線圖Fig.3 Three-dimensional streamlines distribution in the straight-through labyrinth seal

圖4 光軸迷宮式密封內(nèi)二維流線圖Fig.4 Two-dimensional streamlines distribution in the straight-through labyrinth seal

圖5 光軸迷宮式密封在不同齒間距和壓比下的無量綱流量系數(shù)曲線Fig.5 Discharge coefficients curves of the straight-through labyrinth seal

為了進(jìn)一步研究密封齒間距和壓比對(duì)迷宮式密封泄漏量的影響，對(duì)三種齒間距下的密封分別計(jì)算了7種壓比下的無量綱流量系數(shù)。圖5給出了所計(jì)算的無量綱流量系數(shù)曲線。其中橫坐標(biāo)是壓比，表示出口靜壓與進(jìn)口總壓的比值，縱坐標(biāo)是無量綱流量系數(shù)，三條曲線分別表示三種齒間距。根據(jù)圖5的數(shù)據(jù)。在相同的壓比條件下，對(duì)于相同的密封軸向弦長和密封間隙，密封的泄漏量隨著齒間距的減小而減小。在相同的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)下，密封的泄漏量隨著壓比的增大而減小。

3 結(jié)論

針對(duì)典型的光軸迷宮式隔板密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮軸的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，數(shù)值研究了密封齒間距和壓比對(duì)其泄漏流動(dòng)特性的影響，同時(shí)計(jì)算了相應(yīng)的無量綱流量系數(shù)結(jié)論如下：

(1)由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用和迷宮式隔板密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)是典型的三維紊流流動(dòng)，在密封齒和轉(zhuǎn)軸之間的環(huán)形腔室內(nèi)，泄漏流動(dòng)由于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而具有周向分速，使泄漏流動(dòng)有減小的趨勢(shì)。由于密封和轉(zhuǎn)軸之間形成的環(huán)形腔室的作用，泄漏流動(dòng)在密封間隙后的動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為熱能，起到了良好的密封作用。

(2)在相同的隔板前后壓力差的情況下，密封軸向距離和間隙不變的條件下，泄漏量隨著齒間距的減小而減小。在相同的密封軸向距離和間隙條件下，密封齒間距不變時(shí)，泄漏量隨著壓比的增加而減小。

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NumericalInvestigationoftheInfluenceFactorsontheLeakageFlowCharacteristicsintheStraight-throughLabyrinthSeal

ZHANG Sen-sen

(Military representative bureau of navy armament department (of Chinese PLA) Resident in Shenyang Region，Shenyang 110031,China)

The leakage flow characteristics and its influence factors in the straight-through labyrinth seal is investigated using a three-dimensional viscous Reynolds-Averaged Navier-Stokes solver. The finite volume method is used to discretize the governing equation. The standardk-εturbulent model is applied to close the solving equations. The effect of the axis rotation is also taken into account to simulate the flow fields in the straight-through labyrinth seal. The leakage flow characteristics in a typical straight-through labyrinth seal at three kinds of teeth pitch under different pressure ratio is calculated. The discharge coefficients at different flow condition are computed. The numerical results show that the annular cavity between the labyrinth seal and rotational axis can transfer the kinetic energy of the leakage flow into heat energy. The obtained results demonstrate that the leakage flow rate increases with the decreasing pressure ratio at the same geometrical structure. In addition, the leakage flow rate decreases with the teeth pitch decreases at the same pressure ratio. The present work can be able supply the theoretical basis and technical support for the improved design of the straight-through labyrinth seal in the turbomachinery industry application.

straight-through labyrinth seal;leakage flow;rotating effect;discharge coefficient;numerical simulation

2014-05-14修訂稿日期2014-06-21

張森森(1977～)，男，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)電管理。

TK26:TK263.6+3

A

1002-6339 (2014) 04-0300-05