付康民 高俊華

（1.國(guó)能綏中發(fā)電有限公司 2.秦皇島華宇通電力科技有限公司）

0 引言

環(huán)形氣體密封廣泛應(yīng)用于壓縮機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽輪機(jī)行業(yè)，是控制泄漏和提高渦輪機(jī)械性能的最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)［1］。為了滿足渦輪機(jī)械的密封要求，采用了不同類(lèi)型的環(huán)形氣體密封，包括迷宮密封、蜂窩密封、孔型阻尼密封、袋式阻尼密封和刷式密封［2］。迷宮密封由于其簡(jiǎn)單、可靠和低成本而成為渦輪機(jī)械工業(yè)中最常用的密封，但已被證明會(huì)引起不穩(wěn)定的振動(dòng)和高泄漏率［3］。采用高溫合金焊接蜂窩密封代替迷宮密封在一些特殊場(chǎng)合消除了這些缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)迷宮密封相比，蜂窩密封具有更高的有效直接阻尼、更低的交叉耦合剛度和更好的泄漏控制能力［4］。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)蜂窩密封泄漏特性做出了一定研究。周敏等研究了蜂窩芯格尺寸、軸向長(zhǎng)度和進(jìn)口預(yù)旋對(duì)密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著蜂窩密封孔深的增加，密封泄漏量先增加后減小，芯格內(nèi)部旋渦狀態(tài)會(huì)影響密封效果［5］。向新等基于數(shù)值求解三維N-S 方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的方法，分析了壓比、密封間隙、轉(zhuǎn)速和蜂窩孔徑對(duì)迷宮蜂窩密封泄漏特性的影響，并于光滑面迷宮密封進(jìn)行了對(duì)比［6］。孫丹等通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)光滑面蜂窩密封的泄漏特性進(jìn)行了分析，研究表明：蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是通過(guò)腔室內(nèi)渦旋的發(fā)展以及排列密度來(lái)影響泄漏量的［7］。Young S J 等提出了一種混合蜂窩密封結(jié)構(gòu)（MHS），將具有較小直徑的蜂窩單元插入到原有基蜂窩結(jié)構(gòu)中，以減小有效間隙［8］。Wanfu Z 等研究了蜂窩密封孔腔排布方式對(duì)泄漏特性的影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明交錯(cuò)孔蜂窩密封具有更好的泄漏特性和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)性能［9］。Wróblewski W 等給出了蜂窩密封計(jì)算模型和優(yōu)化任務(wù)算法，目標(biāo)函數(shù)為流量系數(shù)，對(duì)不同工作條件下的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［10］。Szymański A 等將蜂窩結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)為菱形的直蜂窩密封，通過(guò)重新定位菱形結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子的距離使有效間隙最小化，最終泄漏性能提高了27%［11］。Y.Kang 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD 分析進(jìn)行了參數(shù)化研究，發(fā)現(xiàn)泄漏性能與齒數(shù)和間隙成正比，與蜂窩直徑成反比［12］。A.Desando 等基于蜂窩密封高度、直徑、單元厚度進(jìn)行了參數(shù)化研究，結(jié)果表明：蜂窩高度對(duì)泄漏性能影響不顯著，隨著蜂窩直徑增大，泄漏性能有所下降［13］。K. C.Nayak 等基于間隙和蜂窩直徑的變化，比較了直線型蜂窩密封與固體密封的泄漏性能，當(dāng)間隙較小時(shí)，隨著蜂窩直徑增大，其泄漏性能較固體密封下降［14］。

本文通過(guò)引入軸向傾斜角參數(shù)，提出了一種中心軸線與軸軸線成夾角的新型斜孔蜂窩密封。使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 對(duì)比分析了蜂窩密封與傳統(tǒng)迷宮密封的泄漏性能以及軸向傾角對(duì)蜂窩密封泄漏特性的影響，并探討了軸向傾角對(duì)傾斜孔型蜂窩密封泄漏量的影響機(jī)理。

1 計(jì)算模型

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

本文利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析方法對(duì)不同斜孔蜂窩密封的流場(chǎng)和泄漏特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。當(dāng)工況達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，斜孔蜂窩密封的泄漏率幾乎隨時(shí)間不變，其流動(dòng)可視為三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。RNG k-ε湍流模型具有可擴(kuò)展的壁函數(shù)，用于近壁湍流處理，因?yàn)槊芊忾g隙小，并且與纏繞流道相關(guān)的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)Fluent用戶(hù)指南，模擬中使用的湍流模型和近壁處理的選擇允許y+值大于11-30，小于100-200。本文計(jì)算模型中的y+平均值約為40，以最小的計(jì)算代價(jià)滿足結(jié)果的收斂質(zhì)量和精度。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，采用SIMPLE 法求解密封間隙內(nèi)的壓力分布。當(dāng)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流方程的收斂殘差均小于10-6時(shí)，同時(shí)合計(jì)進(jìn)出口質(zhì)量流量的相對(duì)誤差小于0.1%，判斷計(jì)算收斂。

1.2 模型及網(wǎng)格劃分

本文在傳統(tǒng)的直孔型蜂窩密封上，引入了軸向傾斜角α，分析不同傾角下的泄漏性能，同時(shí)與傳統(tǒng)的迷宮密封進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 蜂窩密封與梳齒密封結(jié)構(gòu)

使用六面體劃分網(wǎng)格，考慮到密封結(jié)構(gòu)和密封間隙沿周向的對(duì)稱(chēng)性，為了減少計(jì)算時(shí)間和保持計(jì)算精度，在周向上只選擇由相鄰兩排軸向蜂窩孔組成的單個(gè)循環(huán)作為計(jì)算域。為了消除進(jìn)口和出口效應(yīng)對(duì)密封間隙內(nèi)流體流動(dòng)的影響，在靠近進(jìn)口和出口邊界處分別保留一段作為進(jìn)口和出口延伸段，并對(duì)具有復(fù)雜流動(dòng)的密封間隙網(wǎng)格進(jìn)行加密。斜孔蜂窩密封網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 斜孔蜂窩密封網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

本研究選擇可壓縮理想氣體作為工質(zhì)。將轉(zhuǎn)子和定子表面建模為無(wú)滑移壁面和絕熱壁面，并將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)用于轉(zhuǎn)子表面。在研究不同參數(shù)下汽封系統(tǒng)的泄漏特性時(shí)，其他幾何參數(shù)和運(yùn)行條件保持不變。數(shù)值計(jì)算中使用的斜孔蜂窩密封的幾何參數(shù)和工作條件如表1所示。

表1 幾何參數(shù)和工作條件

2 計(jì)算結(jié)果

圖3 為不同軸向傾角下迷宮密封和蜂窩密封的泄漏率情況，隨著軸向傾角的增大兩種密封的泄漏率均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)?？梢钥闯觯?dāng)軸向傾角α 小于90°時(shí)，迎風(fēng)斜孔蜂窩密封的減漏效果優(yōu)于迎風(fēng)傾斜齒迷宮密封。隨著軸向傾角的減小，迎風(fēng)斜孔蜂窩密封的泄漏率呈顯著下降趨勢(shì)，而迎風(fēng)傾斜齒迷宮密封的泄漏率基本保持不變。當(dāng)α 等于55°時(shí)，迎風(fēng)斜孔蜂窩密封的泄漏率比α 等于90°時(shí)的直孔蜂窩密封泄漏率降低了23.5%，而在相同幾何參數(shù)下，迎風(fēng)傾斜齒迷宮密封的泄漏率僅比直齒迎風(fēng)傾斜齒迷宮密封降低了6%。

圖3 不同軸向傾角下迷宮密封和蜂窩密封的泄漏率

圖4 為不同軸向傾角的迷宮密封和蜂窩密封沿軸向中性面的靜壓分布，可以看出，兩種密封的靜壓均隨著軸向傾角的增大而逐漸減小，傳統(tǒng)迷宮密封在入口的前幾個(gè)腔室靜壓下降較少，主要集中在后幾個(gè)腔室，承擔(dān)了大部分節(jié)流耗散功能；蜂窩密封各個(gè)腔室的靜壓下降較為均勻，充分發(fā)揮了每個(gè)腔室的功能，各個(gè)腔內(nèi)的耗散更強(qiáng)，減漏效果更好。

圖4 不同軸向傾角的迷宮密封和蜂窩密封沿軸向中性面的靜壓分布

腔內(nèi)渦耗散較強(qiáng)是迎風(fēng)傾斜蜂窩密封泄漏率顯著降低的主要原因。通過(guò)對(duì)不同軸向傾角下的三維流場(chǎng)、中性面流場(chǎng)和湍流動(dòng)能耗散率的詳細(xì)分析，來(lái)研究迎風(fēng)傾斜蜂窩密封的減漏機(jī)理。圖5 為三種不同軸向傾角的蜂窩密封單胞腔內(nèi)三維流場(chǎng)。當(dāng)α=125°時(shí)，背風(fēng)傾斜的高壓射流在腔內(nèi)形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)且流線規(guī)則的渦，渦的耗散相對(duì)較弱。隨著軸向傾斜角的減小，渦形和流線逐漸紊亂，旋渦耗散效果增強(qiáng)。當(dāng)α=55°時(shí)，腔內(nèi)流動(dòng)最紊亂，能大幅提高動(dòng)能到熱能的轉(zhuǎn)換效率，泄漏控制能力最好。

圖5 不同軸向傾角的蜂窩密封單胞腔內(nèi)三維流場(chǎng)

圖6 為不同軸向傾角的蜂窩密封中性面湍流動(dòng)能耗散率分布情況，隨著軸向傾角的減小，孔壁與鄰近孔腔出口的定子表面之間的夾角變得更尖銳，靠近空腔出口的流速逐漸增大，有助于增強(qiáng)流體的湍流強(qiáng)度，這意味著在空腔出口有更多的湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。

圖6 不同軸向傾角的蜂窩密封中性面湍流動(dòng)能耗散率分布

圖7 為不同軸向傾角的蜂窩密封中性面流場(chǎng)分布情況，當(dāng)軸向傾角為鈍角時(shí)，空腔區(qū)域內(nèi)的流速相對(duì)較小，而相鄰兩排空腔之間的流速在軸向上相對(duì)較大，在每個(gè)空腔入口和出口附近形成兩個(gè)高速區(qū)。隨著軸向傾角的減小，高速區(qū)的范圍和強(qiáng)度迅速減小，導(dǎo)致泄漏率減?。划?dāng)軸向傾角為銳角時(shí)，在孔腔邊緣兩側(cè)對(duì)稱(chēng)形成兩個(gè)大面積橢圓低速區(qū)，隨著軸向傾斜角的進(jìn)一步減小，低速區(qū)范圍和強(qiáng)度逐漸增大，其中心位置逐漸向腔體出口側(cè)移動(dòng)。

圖7 不同軸向傾角的蜂窩密封中性面流場(chǎng)分布

可以看出，高速和中速區(qū)的流線更為規(guī)則，流動(dòng)方向基本沿軸向。低速區(qū)附近和內(nèi)部的流線更加混亂，流動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸向速度分量較小?？紤]到泄漏率與流體軸向速度分量之間的直接線性關(guān)系，可以認(rèn)為低速區(qū)流速值小和流動(dòng)方向的改變是迎風(fēng)傾斜蜂窩密封泄漏量明顯減少的直接原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)引入軸向傾斜角參數(shù)，提出了一種中心軸線與轉(zhuǎn)軸軸線成一定角度的傾斜孔型蜂窩密封，并用數(shù)值模擬手段分析了軸向傾角參數(shù)對(duì)泄漏率的影響，得到如下結(jié)論：（1）迎風(fēng)傾斜孔型蜂窩密封與直孔型和斜齒迷宮密封相比，泄漏率有望顯著降低，這主要與腔室內(nèi)靜壓分布有關(guān)，均勻的靜壓下降幅度能夠充分利用各腔室的耗散能力，減少泄漏。（2）隨著軸向傾角的減小，傾斜孔型蜂窩密封單個(gè)腔室內(nèi)流場(chǎng)變得更加紊亂，湍流動(dòng)能耗散率增強(qiáng)，大幅提高動(dòng)能到熱能的轉(zhuǎn)換效率，泄漏控制能力更好。（3）蜂窩密封中性面流場(chǎng)中的低速區(qū)范圍大和流動(dòng)方向的改變是傾斜蜂窩密封泄漏量明顯減少的直接原因，通過(guò)調(diào)整傾角大小來(lái)擴(kuò)大中性面低速區(qū)范圍，有望進(jìn)一步減少密封泄漏。