高低齒汽封與蜂窩汽封及孔式阻尼汽封密封性能的比較

江路毅， 劉網(wǎng)扣， 張兆鶴， 崔 琦

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240）

汽封是汽輪機重要部件之一，一般用于軸端、隔板和葉頂?shù)任恢?汽封裝置密封性能的優(yōu)劣對汽輪機性能有較大的影響［1］.研究表明，汽輪機級中的葉頂漏汽損失和隔板漏汽損失之和約占到級損失的1/3［2］.高低齒密封（屬迷宮密封的一類）作為汽輪機一種主要的密封形式，存在漏汽量偏大、汽封易磨損等問題.蜂窩汽封因其良好的密封性能，已經(jīng)在5～600 MW機組改造和新機組中獲得應(yīng)用.孔式阻尼汽封與蜂窩汽封結(jié)構(gòu)類似，在壓氣機及航空發(fā)動機中已經(jīng)獲得應(yīng)用.相對于蜂窩汽封，孔式阻尼汽封加工工藝相對簡單、制造精度高、對材料要求較寬，同時在一定條件下有更好的密封性能，有應(yīng)用于汽輪機密封的潛力.

近些年，國內(nèi)開展了很多蜂窩汽封和孔式阻尼汽封密封性能的研究.結(jié)果表明，在一定條件下，蜂窩汽封相對高低齒汽封能降低43%的漏汽量［3］；蜂窩汽封的漏汽量受蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸的影響，存在最佳蜂窩孔徑及蜂窩深度的確定問題［4］.國外的試驗研究表明，在一定條件下孔式阻尼汽封漏汽量比蜂窩汽封減少12%［5］.

筆者對不同壓比、轉(zhuǎn)速和汽封間隙下的三種汽封進行數(shù)值計算，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，對蜂窩汽封和孔式阻尼汽封在汽輪機上的應(yīng)用有一定的參考意義.

1 計算模型與數(shù)值計算方法

圖1為汽封結(jié)構(gòu)簡圖，圖1（a）為高低齒汽封的結(jié)構(gòu)簡圖，其中t為兩低齒齒距，b為齒寬，δ為齒隙，h1為低齒（長齒）齒高；圖1（b）為蜂窩汽封環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖，圖中芯格寬度D為3.2 mm，構(gòu)成蜂窩的不銹鋼壁厚為0.13 mm；圖1（c）為孔式阻尼汽封環(huán)的結(jié)構(gòu)簡圖，阻尼孔的直徑為3.2 mm，相鄰兩孔中心距為3.33 mm，軸直徑為440 mm.高低齒總齒數(shù)為11，蜂窩汽封和孔式阻尼汽封中用蜂窩帶或阻尼孔代替高齒，低齒結(jié)構(gòu)保持一致.

圖1 汽封結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of the seals

1.1 計算條件

由于受到計算機資源的限制，數(shù)值計算模型中采用部分弧段（周向包含7列孔）汽封結(jié)構(gòu).為方便與試驗結(jié)果比較，計算工質(zhì)使用空氣，汽封進口給定總壓和總溫，出口為大氣環(huán)境.汽封弧段的兩側(cè)斷面設(shè)置為周期邊界，轉(zhuǎn)軸設(shè)置為旋轉(zhuǎn)固壁.

1.2 計算方法

采用Fluent商用軟件進行數(shù)值計算.湍流模型為標準的k－ε兩方程湍流模型，數(shù)值求解方法為Simple算法，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分.高低齒汽封結(jié)構(gòu)較簡單，計算網(wǎng)格總數(shù)900萬，蜂窩汽封網(wǎng)格總數(shù)1 600萬，阻尼結(jié)構(gòu)在孔內(nèi)部采用了O－網(wǎng)格處理，網(wǎng)格總數(shù)1 600萬.

數(shù)值計算分以下三方面進行，3個參量分別為相對間隙δ/b、轉(zhuǎn)速n和壓比πz：

（1）固定汽封間隙及轉(zhuǎn)速，改變壓比.

（2）固定汽封間隙及壓比，改變轉(zhuǎn)速.

（3）固定壓比及轉(zhuǎn)速，改變汽封間隙.

2 計算結(jié)果

通過流量系數(shù)來反映不同汽封結(jié)構(gòu)的漏汽性能，流量系數(shù)計算公式［6］如下：

式中：G為數(shù)值計算得到的汽封漏汽量，kg/s；G′為理論計算所得的汽封漏汽量，kg/s；μp為流量系數(shù)；F為齒隙面積，m2；z為高低齒總齒數(shù)；p0為汽封前總壓，Pa；T0為汽封前蒸汽熱力學溫度，K；πz為壓比，πz＝p1/p0；p1為汽封后靜壓，Pa；ρ0為汽封前氣流密度，kg/m3；R為理想氣體常數(shù).

2.1 高低齒汽封數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖2給出了高低齒汽封數(shù)值計算結(jié)果及與試驗結(jié)果［6］的對比，其中圖2（a）為流量系數(shù)隨壓比變化曲線，圖2（b）為流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線，圖2（c）為流量系數(shù)隨相對間隙變化曲線.

圖2 高低齒汽封流量系數(shù)變化曲線Fig.2 Variation curves of flow coefficient for the stepped labyrinth seal

從圖2可以看出：

（1）數(shù)值計算結(jié)果比試驗結(jié)果約小3%～4%.

（2）流量系數(shù)計算值與試驗值隨壓比的變化規(guī)律相似，在壓比計算范圍內(nèi)近似呈線性變化，且壓比越大，流量系數(shù)越大，數(shù)值計算結(jié)果的變化率與試驗結(jié)果相比要小.

（3）流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速上升而略有下降，近似呈線性變化，數(shù)值計算結(jié)果的變化率較小.

（4）隨相對間隙的增大，流量系數(shù)減小，數(shù)值計算與試驗結(jié)果變化規(guī)律一致，呈下凹曲線的規(guī)律.相對間隙較小時，腔室內(nèi)的渦不能得到充分發(fā)展，導致其流量系數(shù)偏大.

綜上所述，數(shù)值計算與試驗所得高低齒汽封的流量系數(shù)隨壓比、轉(zhuǎn)速、相對間隙的變化規(guī)律基本一致，但數(shù)值計算結(jié)果偏低，且隨參數(shù)的變化率較小.

2.2 蜂窩汽封數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖3給出了蜂窩汽封的數(shù)值計算結(jié)果及與試驗結(jié)果的對比.蜂窩汽封中的相對間隙以低齒的相對間隙為準，蜂窩間隙的變化與低齒保持一致.由圖3可以看出：

圖3 蜂窩汽封流量系數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of flow coefficient for the honeycomb seal

（1）無論數(shù)值計算還是試驗結(jié)果，流量系數(shù)隨壓比的變化近似呈水平的線性變化，但斜率的方向卻相反.

（2）流量系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化近似為水平的直線，隨轉(zhuǎn)速的增加略有下降，數(shù)值計算結(jié)果的斜率小于試驗值.

（3）流量系數(shù)隨相對間隙的變化呈上凸曲線，數(shù)值計算與試驗值的規(guī)律一致，當相對間隙大于一定值時流量系數(shù)變化趨于平緩.

（4）從圖3（c）可知，數(shù)值計算的流量系數(shù)較試驗值約小9%.齒隙變小對孔內(nèi)渦強度影響較小，而節(jié)流作用的影響相對較大，使流量系數(shù)減小.

以上兩種汽封數(shù)值計算結(jié)果的漏汽量不同程度地小于相應(yīng)的試驗值.排除網(wǎng)格相關(guān)性后，計算中湍流模型會產(chǎn)生較大的影響，在對通過一面平板，另一面等厚齒的小間隙流動的處理過程中，在氣流的加速、截面的收縮及其后的渦系等方面模型與實際情況存在差異.

2.3 孔式阻尼汽封數(shù)值計算結(jié)果

圖4是孔式阻尼汽封的數(shù)值計算結(jié)果，相對齒隙仍采用低齒的值，孔式阻尼汽封間隙與低齒的齒隙同步變化.

圖4 孔式阻尼汽封流量系數(shù)變化曲線Fig.4 Variation curves of flow coefficient for the hole－pattern damper seal

由圖4可知，孔式阻尼汽封與蜂窩汽封有類似的阻汽特性.孔式阻尼汽封的流量系數(shù)隨壓比的減小略有下降，隨轉(zhuǎn)速的增大略有下降，并近似呈水平的線性變化；在數(shù)值計算的相對間隙范圍內(nèi)，流量系數(shù)隨相對間隙的增大而略有增大.

3 不同結(jié)構(gòu)汽封的比較

蜂窩汽封與孔式阻尼汽封的密封原理相似，數(shù)值計算結(jié)果也顯示兩者的密封性能相近，但兩者與高低齒汽封有較大的差異.

3.1 3種汽封的比較

圖5給出了轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、壓比為0.75時，高低齒汽封、蜂窩汽封和孔式阻尼汽封在不同相對間隙下的數(shù)值計算所得到的流量系數(shù)的對比.在給定的三個相對間隙下，蜂窩汽封與孔式阻尼汽封的流量系數(shù)均小于高低齒汽封的流量系數(shù)，且在計算范圍內(nèi)變化趨勢相反.高低齒汽封流量系數(shù)曲線為下凹形，而蜂窩汽封是一條上凸的曲線.在計算的相對間隙范圍內(nèi)，蜂窩汽封的流量系數(shù)均小于高低齒汽封的流量系數(shù)，差值為4%～15%；且相對間隙越小，差值越大.所以，如果蜂窩汽封設(shè)計合理的話，與相同條件下的高低齒汽封相比，其密封效果更好.

圖5 各種汽封流量系數(shù)隨相對間隙的變化Fig.5 Flow coefficients of different seals varying with the relative clearance

圖6為三種汽封的子午面流線圖.由圖6（a）和圖6（b）兩流線圖可以看出，蜂窩汽封將原高低齒汽封內(nèi)部腔室分割成多個小腔室，在蜂窩孔內(nèi)形成多個小渦，增加了能量的耗散，而且多道蜂窩孔壁在一定程度上增強了節(jié)流作用，使蜂窩汽封的密封性能比高低齒汽封更好.

3.2 孔式阻尼汽封與蜂窩汽封對比

從圖5中也可以明顯地看到，孔式阻尼汽封的流量系數(shù)比蜂窩汽封更小，這與文獻［7］中試驗結(jié)論一致.在計算范圍內(nèi)，前者比后者相對減小2%～6%，且在較大的相對間隙下，降幅較大，在相對間隙δ/b＝1.4時，前者比后者小6%.

圖6 三種汽封的子午面流線圖Fig.6 Flow field on meridional plane of the three seals

圖6（b）和圖6（c）顯示蜂窩汽封和孔式阻尼汽封在子午面上有類似的流場結(jié)構(gòu)，但兩者存在空腔大小和節(jié)流片結(jié)構(gòu)的差異，后者緊湊的腔室結(jié)構(gòu)使孔式阻尼汽封內(nèi)渦的強度較強，從而使其密封性能優(yōu)于蜂窩汽封.

4 結(jié) 論

（1）高低齒汽封、蜂窩汽封的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比，二者變化規(guī)律基本一致.流量系數(shù)數(shù)值計算結(jié)果比試驗結(jié)果偏小，高低齒汽封流量系數(shù)隨壓比和轉(zhuǎn)速的變化率小于蜂窩汽封.

（2）壓力、轉(zhuǎn)速和間隙變化時，孔式阻尼汽封和蜂窩汽封的流量系數(shù)有著類似的變化規(guī)律.

（3）在相同條件下，蜂窩汽封比高低齒汽封的密封性能好，計算范圍內(nèi)的流量系數(shù)平均降低約10%.

（4）在相同條件下，孔式阻尼汽封比蜂窩汽封有更好的密封性能，常用的相對間隙下，漏汽量能減小6%左右.

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