曹麗華 李 超 李 盼
(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)
偏心和轉(zhuǎn)速對(duì)汽輪機(jī)隔板汽封泄漏量的影響*
曹麗華**李 超 李 盼
(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)
應(yīng)用RNGk-ε湍流模型,基于有限體積法求解三維可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程,模擬分析了當(dāng)轉(zhuǎn)子存在偏心時(shí),偏心距和轉(zhuǎn)速對(duì)汽輪機(jī)隔板汽封泄漏量的影響。結(jié)果表明:在相同汽封間隙下,一定程度的偏心內(nèi),泄漏量隨偏心距的增加而增加,達(dá)到最大值后泄漏量逐漸減小并趨于不變;在偏心和非偏心工況下,隔板汽封泄漏量在一定轉(zhuǎn)速內(nèi)皆隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低。
汽輪機(jī) 隔板汽封間隙 偏心距 轉(zhuǎn)速 泄漏量
汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)靜葉隔板與轉(zhuǎn)子之間存在一定的間隙,當(dāng)蒸汽流過(guò)靜葉通道,靜葉前后的壓差將促使一部分流體流進(jìn)隔板間隙,形成泄漏流進(jìn)而造成泄漏損失,降低汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率[1]?,F(xiàn)代汽輪機(jī)逐步向高參數(shù)發(fā)展[2],而當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在偏心時(shí),在隔板汽封內(nèi)由于周向間隙的不對(duì)稱分布,將對(duì)隔板汽封間隙內(nèi)流動(dòng)造成一定的影響。
Hirano T等對(duì)比分析了兩種不同CFD軟件對(duì)汽封流場(chǎng)的模擬效果,證明了運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析汽封內(nèi)流動(dòng)的可行性[3]。Vakili A D等采用二維模型,利用數(shù)值模擬方法得到了高低齒迷宮式密封泄漏流的流動(dòng)特性和總壓損失機(jī)理[4]。Bozzi L等通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,證明了間隙改變對(duì)汽封內(nèi)流動(dòng)有著顯著的影響[5]。Rosenberg S S指出在迷宮密封內(nèi),轉(zhuǎn)速較小時(shí)摩擦效應(yīng)起主要作用,轉(zhuǎn)速較高時(shí)則以慣性力為主[6]。丁學(xué)俊等利用Fluent軟件,對(duì)不同結(jié)構(gòu)迷宮密封的內(nèi)部流動(dòng)和泄漏特性進(jìn)行了對(duì)比和分析[7]。張為榮和王強(qiáng)對(duì)建立的光軸平齒汽封模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明汽封的諸多結(jié)構(gòu)參數(shù)中,間隙對(duì)泄漏的影響最大[8]。
然而,上述研究均未考慮轉(zhuǎn)速對(duì)汽封流場(chǎng)的影響,而且在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況上,與汽輪機(jī)迷宮密封相比,都存在一定的差異。由于汽封間隙很小,汽輪機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)汽流產(chǎn)生一定的離心作用,必然會(huì)對(duì)漏汽量產(chǎn)生影響。李軍等指出,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用在對(duì)隔板汽封流場(chǎng)的分析中不能忽視[9]。周國(guó)宇等通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法,得出在轉(zhuǎn)速較小的情況下轉(zhuǎn)子無(wú)偏心時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)高低齒迷宮密封的影響很小[10]。曹麗華等采用數(shù)值模擬方法得到,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得隔板汽封的漏汽量與靜止時(shí)相比較大[11]。
筆者從分析汽輪機(jī)隔板汽封間隙泄漏流入手,采用CFD軟件對(duì)汽輪機(jī)高壓缸第2壓力級(jí)的高低齒隔板汽封進(jìn)行數(shù)值研究,分析轉(zhuǎn)子存在靜偏心時(shí)汽封間隙和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)隔板汽封泄漏量的影響,從而為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)人員提供一定的理論參考。
1.1計(jì)算模型
計(jì)算模型選用的是某國(guó)產(chǎn)300MW汽輪機(jī)高壓缸第二壓力級(jí)的隔板汽封,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 迷宮式隔板汽封的結(jié)構(gòu)示意圖
具體參數(shù)如下:
齒數(shù)n10個(gè)
密封間隙s0.1~0.5mm
齒厚i0.3mm
凸臺(tái)高度h2.4mm
齒間距a3.0mm
齒間距b4.2mm
凸臺(tái)寬度w9mm
1.2基本控制方程
計(jì)算區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)三維流體動(dòng)力學(xué)通用控制方程為:
div(ρuφ)=div(Γφgrandφ)+Sφ
式中Sφ——廣義源項(xiàng);
φ——通用變量,可表示u、v、t、k及ε等求解變量;
Γφ——廣義擴(kuò)散系數(shù);
ρ——流體密度。
湍流模型選用的是修正湍流粘度的RNGk-ε模型,相比于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程,RNGk-ε模型對(duì)于強(qiáng)旋流或者帶有彎曲壁面的流動(dòng)計(jì)算具有更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。壓力和速度耦合采用Simple算法。方程的離散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式。
1.3網(wǎng)格和邊界條件
筆者采用整周隔板汽封模型計(jì)算汽封內(nèi)泄漏流的特性。通過(guò)分塊劃分,保證結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的質(zhì)量。為了提高計(jì)算精度,對(duì)汽封流域內(nèi)近壁面進(jìn)行邊界層加密。具體的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。
圖2 網(wǎng)格劃分
為了將網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響降到最低,筆者進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)600萬(wàn)后計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)逐漸減小,超過(guò)700萬(wàn)后基本不變,因此可認(rèn)為超過(guò)700萬(wàn)后網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。最終確定不同模型的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)在700萬(wàn)~750萬(wàn)之間。
工質(zhì)采用高溫高壓可壓縮的過(guò)熱水蒸氣。計(jì)算區(qū)域進(jìn)口設(shè)為壓力入口,出口設(shè)為壓力出口,入口給定總壓強(qiáng)10.7MPa,總溫度744.1K,出口壓力10.0MPa。旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為固體壁面,模型繞轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)。非動(dòng)面設(shè)為絕熱的無(wú)滑移壁面。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,在近壁面處采用壁面函數(shù)法。
2.1間隙對(duì)泄漏量的影響
當(dāng)轉(zhuǎn)子無(wú)偏心時(shí),選取不同間隙的隔板汽封模型進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)額定轉(zhuǎn)速為3kr/min時(shí),汽封間隙與泄漏量的關(guān)系曲線如圖3所示??梢钥闯?,在給定工況下,隔板汽封間隙為0.1mm時(shí)蒸汽泄漏量最小為0.400kg/s;隨著隔板汽封間隙的增加,泄漏量在逐漸變大,當(dāng)隔板汽封間隙為0.4mm時(shí),蒸汽泄漏量達(dá)到1.160kg/s。
圖3 汽封間隙與泄漏量的關(guān)系曲線
在給定進(jìn)出口條件下,額定轉(zhuǎn)速為3kr/min時(shí),隔板汽封腔室內(nèi)壓力的變化情況如圖4所示??梢钥闯觯瑝毫淖笙蛴乙来谓档?,密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部分構(gòu)成多個(gè)間隙狹窄的齒縫,當(dāng)汽體通過(guò)齒縫時(shí)壓力加速降低,通過(guò)密封齒的逐級(jí)作用,最后使壓力趨于壓力出口值。
由圖4可以得到密封的軸向壓力分布,并且可知壓降主要發(fā)生在齒頂間隙處,而在每個(gè)空腔內(nèi)的壓力變化并不大。當(dāng)汽體由間隙流入空腔時(shí),由于流域面積突然增加而形成強(qiáng)烈的漩渦,導(dǎo)致汽流動(dòng)能損耗較多并轉(zhuǎn)變成熱能。而汽封間隙越小,汽封齒兩側(cè)的壓差越大,汽封齒的節(jié)流效果越明顯。因此,當(dāng)隔板汽封在相同的邊界條件下時(shí),隔板汽封間隙越小,泄漏量越小。
圖4 隔板汽封腔室內(nèi)壓力的變化情況
2.2偏心對(duì)泄漏量的影響
在相同邊界條件下,隔板汽封間隙的變化會(huì)引起泄漏量的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在偏心時(shí),隔板汽封間隙沿著周向發(fā)生變化,間隙較大的一側(cè)泄漏量增加,而間隙較小的一側(cè)泄漏量減小。
在給定進(jìn)出口邊界條件下,當(dāng)額定轉(zhuǎn)速為3kr/min時(shí),不同汽封間隙下泄漏量與偏心距的關(guān)系曲線如圖5所示??梢钥闯?,當(dāng)汽封間隙為0.2mm、偏心距為0.02mm時(shí),隔板汽封泄漏量為0.602kg/s;隨著轉(zhuǎn)子偏心距的增加,隔板汽封泄漏量逐漸增大,此過(guò)程中間隙較大一側(cè)的泄漏量起主導(dǎo)作用;當(dāng)偏心距達(dá)到0.06mm時(shí),泄漏量達(dá)到最大值0.649kg/s;當(dāng)偏心距超過(guò)0.06mm后泄漏量略有下降;當(dāng)偏心距為0.08mm時(shí),泄漏量為0.641kg/s;而后隨著偏心距的增加,泄漏量基本不變,此時(shí)間隙較大一側(cè)泄漏量的增加值與間隙較小一側(cè)泄漏量的減少值大致相同。同理,根據(jù)隔板汽封間隙為0.3、0.4、0.5mm時(shí)的模擬結(jié)果,可得到類似的規(guī)律。在相同汽封間隙下一定程度的偏心內(nèi),泄漏量隨著偏心距的增加而增加,達(dá)到最大泄漏量后逐漸穩(wěn)定;而當(dāng)偏心距相同時(shí),汽封間隙越小泄漏量越小。
圖5 額定轉(zhuǎn)速下泄漏量與偏心距的關(guān)系曲線
2.3轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響
保持入口壓力10.7MPa、溫度744.1K、出口壓力10.0MPa不變,當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心距為0.04mm時(shí),不同汽封間隙下,泄漏量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖6所示。可以看出,不同間隙下隔板汽封泄漏量均隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而降低。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使得泄漏流在隔板汽封內(nèi)伴隨轉(zhuǎn)子沿周向旋轉(zhuǎn),隨著轉(zhuǎn)速的升高,旋轉(zhuǎn)效應(yīng)就越顯著,從而,隔板汽封泄漏量隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而降低。
圖6 泄漏量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
在給定進(jìn)出口邊界條件下,隔板汽封間隙為0.3mm,轉(zhuǎn)子無(wú)偏心和偏心距為0.04mm時(shí),泄漏量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖7所示。可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)子在偏心工況和非偏心工況下時(shí),泄漏量均隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低。轉(zhuǎn)速較小時(shí),汽封內(nèi)汽體的摩擦效應(yīng)起主要作用,當(dāng)轉(zhuǎn)子存在偏心時(shí)隔板汽封的周向間隙發(fā)生變化,因汽體的摩擦作用,泄漏流在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下沿周向旋轉(zhuǎn),并在旋轉(zhuǎn)方向上泄漏流帶入間隙逐漸縮小的區(qū)域被壓縮,進(jìn)而在間隙逐漸擴(kuò)散的區(qū)域處擴(kuò)張,加快汽流動(dòng)能損耗,因此使得在轉(zhuǎn)速較小時(shí)相同工況下,轉(zhuǎn)子存在偏心時(shí)的泄漏量更小。而隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高摩擦效應(yīng)減弱,當(dāng)轉(zhuǎn)子在偏心距為0.04mm,轉(zhuǎn)速較高時(shí),泄漏更多地受到周向間隙不均的影響,間隙較大一側(cè)泄漏量的增加起主導(dǎo)作用,此時(shí)轉(zhuǎn)子存在偏心時(shí)的泄漏量較大。
圖7 不同偏心距時(shí)泄漏量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
3.1在額定轉(zhuǎn)速下高低齒隔板汽封內(nèi),壓力在汽封腔室內(nèi)沿軸向逐漸降低。壓降主要發(fā)生在齒頂間隙處,并且當(dāng)汽封間隙增加時(shí)隔板汽封的泄漏量也增加。
3.2在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子存在靜偏心時(shí),對(duì)于高低齒隔板汽封,相同汽封間隙下一定程度的偏心內(nèi),泄漏量隨偏心距的增加而增加,泄漏量達(dá)到最大值后逐漸趨于不變。
3.3當(dāng)偏心距不變時(shí),高低齒隔板汽封的泄漏量隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低,并且與非偏心工況相比,偏心時(shí)隔板汽封的泄漏量受轉(zhuǎn)速影響較大。
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EffectofEccentricityandRotationalSpeedonDiaphragmSealLeakageofSteamTurbine
CAO Li-hua, LI Chao, LI Pan
(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)
Through employing the RNGk-εturbulence model and basing on the finite volume method to resolve the 3D compressible Reynolds time-averaged N-S equations, the influence of both eccentric distance and rotational speed on the leakage of diaphragm seal was simulated. The results show that, under the same seal clearance and within a certain range of rotor eccentricity, the leakage flow becomes larger with the increase of the eccentricity; and when the leakage flow comes to the maximum value, it gradually decreases and tends to a stable value; when the rotor is at the eccentric and non-eccentric conditions, the diaphragm seal leakage flow within certain speeds reduces with increasing speed.
steam turbine, diaphragm seal, eccentricity, rotational speed, leakage flow
*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51476192,51576036)。
**曹麗華,女,1973年10月生,教授。吉林省吉林市,132012。
TQ051.6
A
0254-6094(2016)05-0645-04
2015-12-06)