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 計(jì)算模型和數(shù)值方法

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 計(jì)算結(jié)果與分析

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 結(jié)論

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)