申連洋

（海裝沈陽局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，哈爾濱150046）

0 引 言

汽封結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)的動靜交接處，汽封的主要作用是防止軸向漏氣。迷宮型汽封為傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)，一般由高低齒排列和葉輪、圍帶凸臺形成封閉迷宮通道。迷宮型汽封結(jié)構(gòu)相對簡單且成本低，是汽輪機(jī)中常用的密封裝置，其密封原理是：密封齒與轉(zhuǎn)子間形成一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，當(dāng)泄漏流體流經(jīng)節(jié)流間隙時，部分壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，該速度能隨即在膨脹空腔中由于湍流漩渦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[1]。在迷宮汽封長期使用后，汽封徑向間隙會增加，而且由于轉(zhuǎn)子偏心或振動的原因，迷宮汽封齒會與轉(zhuǎn)子接觸并產(chǎn)生摩擦，長期運(yùn)行會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微裂紋而有發(fā)生斷裂的危險。蜂窩汽封是目前比較先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)，由許多蜂窩孔組成。蜂窩型汽封是一種可磨耗的先進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，由高溫合金密封與背板組成，通過高溫真空釬焊連接，主要應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和其他機(jī)械的軸封、葉頂間隙。蜂窩型汽封具有無數(shù)個六邊形的蜂窩孔狀的芯格結(jié)構(gòu)，由于一般蜂窩型汽封的材料質(zhì)地較軟，具有較好的可磨性[2]。

國內(nèi)高校及汽輪機(jī)制造商已對汽輪機(jī)汽封展開了大量學(xué)術(shù)和工程研究。西安交通大學(xué)謝永慧等[3]基于三維黏性可壓縮N-S方程對某汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級進(jìn)行了全三維數(shù)值模擬，考慮了有汽封條件下的不同進(jìn)汽度的葉片通流性能。華北電力大學(xué)韓中合等[4]利用數(shù)值模擬的方法研究了汽輪機(jī)光軸直齒與斜齒兩種結(jié)構(gòu)的迷宮式汽封內(nèi)部流場，得出了汽封內(nèi)部流動特性和漏汽量隨相對齒間距和齒傾斜角度的變化規(guī)律。在汽封段軸向尺寸一定和相同的流動參數(shù)下，齒數(shù)和傾角存在最佳范圍，可最大程度地降低迷宮式汽封的漏汽量。上海電氣楊建道等[5]對某600 MW改造機(jī)組的末三級葉片優(yōu)選中，針對兩種汽封進(jìn)行了CFD分析，設(shè)計了與葉片相匹配的對齒迷宮式汽封。東方汽輪機(jī)田朝陽等[6]對刷式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封進(jìn)行性能對比試驗，試驗結(jié)果表明，刷式汽封漏氣量較小，性能較好，但對制造加工工藝要求較高。

本文主要采用數(shù)值計算的方法，計算精度要求較高，因此采用NUMECA軟件非常合適，可以充分發(fā)揮其內(nèi)存用量少、計算速度快、求解精度高的優(yōu)勢。本文重點(diǎn)研究兩種形式汽封（蜂窩式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封）在不同徑向間隙條件下運(yùn)行時的氣動性能，主要考察氣動效率、軸向推力和泄漏量，以期為后續(xù)的汽封設(shè)計選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值計算分析

本次計算只考慮葉頂汽封對通流性能的影響，所以在建模時只有單級葉片和動葉葉頂汽封。圖1為迷宮汽封模型，在計算過程中，分別改變了汽封的徑向間隙，從0.2、0.4 mm遞增到2.0 mm。圖2為蜂窩汽封模型，其孔深為6 mm，孔寬為6 mm，分別改變徑向間隙，從0.2 mm、0.4 mm遞增到1.2 mm。

圖1 迷宮汽封模型

圖2 蜂窩汽封模型

本文采用NUMECA的AutoGrid生成網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，網(wǎng)格數(shù)量控制在300萬左右。數(shù)值計算是在NUMECA下的Fine/Turbo中進(jìn)行的。計算過程中使用Condensable Flow，通過對水蒸氣插值，能夠準(zhǔn)確地求解出水蒸氣的熱力參數(shù)。數(shù)值計算邊界條件給定如下：進(jìn)口總壓2.7503 MPa、總溫775.87 K，出口靜壓1.7941 MPa。工作轉(zhuǎn)速3000 r/min。在NUMECA求解器中設(shè)定CFL數(shù)為1，其余保持默認(rèn)不變。本研究的所有計算均采用Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型。S-A模型目前已在葉輪機(jī)計算中獲得廣泛應(yīng)用。對于本研究涉及的計算，適宜采用S-A模型。

1.1 效率分析

圖3所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的效率隨徑向間隙變化曲線。由圖3可以看出，隨著徑向間隙從0.2 mm增加到2.0 mm，迷宮汽封和蜂窩汽封的通流效率都在降低。而且在小間隙范圍內(nèi)（0.2～0.6 mm），蜂窩汽封的效率比較高，隨著徑向間隙增大（0.6～2.0 mm），迷宮汽封逐漸占據(jù)優(yōu)勢。因此在實際工程應(yīng)用中，可以將蜂窩汽封間隙尺寸設(shè)置得非常小，以充分利用其較好的耐磨性。

1.2 軸向推力分析

圖4所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的軸向推力隨徑向間隙變化曲線。由圖4可以看到，隨著徑向間隙的增加，動葉片受到的軸向推力逐漸減小。當(dāng)迷宮汽封間隙從0.2 mm增加到2.0 mm時，軸向推力從26 kN降低至約24 kN；蜂窩汽封間隙從0.2 mm增加到1.2 mm時，軸向推力從26 kN降低至約235 kN。這主要是因為間隙增大后，氣流在葉頂汽封中有了更大的膨脹空間，減小了氣流對圍帶凸臺的作用力。而且通流面積增加后，作用于動葉片的氣流減少，因此造成動葉片受到的軸向推力減小。另外，同樣在1.2 mm 的間 隙下，蜂窩 汽封 條件 下葉 片受 到的 軸向 推力 更小。因此應(yīng)用蜂窩汽封可以更大幅度地降低葉片的軸向推力。

圖3 效率隨徑向間隙變化曲線

圖4 軸向推力曲線

1.3 流量分析

圖5所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的泄漏量隨徑向間隙變化曲線。由圖5可見，徑向間隙愈大，泄漏量愈大。這是因為間隙增大后，整級的通流面積會相應(yīng)增加，因此汽封泄漏量增加。從迷宮汽封和蜂窩汽封的變化曲線可以看出，在小間隙下（0.2～0.7 mm），蜂窩汽封的泄漏量比迷宮汽封小，隨著間隙增大（0.7～2.0 mm），兩種汽封的泄漏量都會增加，并且蜂窩式汽封梯度高于迷宮式汽封。這是因為兩種汽封的密封原理不同：迷宮汽封通過汽封齒和凸臺形成的空腔使氣流在其中膨脹，將動能轉(zhuǎn)化為熱能來減小泄漏；蜂窩汽封則通過圍帶與蜂窩孔間的氣膜壓力來阻止流體泄漏。當(dāng)增大間隙后，氣膜壓力會急速下降，從而增大了泄漏損失。因此蜂窩汽封適合小間隙。

圖6所示為動葉流量隨徑向間隙變化曲線，由圖可以看到，間隙由0.2 mm增加到2.0 mm，迷宮汽封和蜂窩汽封情況下通過動葉的蒸汽流量逐漸減小。這是因為隨著間隙增大，通過汽封的流量增加，減少了動葉流量，使做功減少。當(dāng)間隙小于0.8 mm時，蜂窩汽封動葉的流量比迷宮汽封大，當(dāng)間隙大于0.8 mm時，蜂窩汽封動葉的流量比迷宮汽封小。即小間隙下，蜂窩汽封做功量大。

2 結(jié) 論

綜上，本文通過全三維CFD數(shù)值計算的方法，研究了兩種形式汽封（蜂窩式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封）在不同徑向間隙條件下運(yùn)行時的氣動性能（主要包括氣動效率、軸向推力和泄漏量），以期為后續(xù)的汽封設(shè)計選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。基于前述的計算結(jié)果對比和分析，本文得到如下結(jié)論：1）隨著汽封徑向間隙尺寸從0.2 mm增加到2.0 mm，在蜂窩汽封和迷宮汽封兩種條件下，參數(shù)變化的大體趨勢是一致的：級效率逐漸降低，軸向推力逐漸減小，葉頂汽封泄漏量逐漸增加，動葉流量降低。2）在小間隙尺寸范圍內(nèi)，蜂窩汽封的氣動性能優(yōu)于迷宮汽封，隨著間隙尺寸的增加，迷宮汽封逐漸占據(jù)優(yōu)勢。在后續(xù)的設(shè)計中，可根據(jù)具體情況選擇適用的汽封形式。

圖5 汽封泄漏量曲線

圖6 動葉流量隨間隙變化曲線