混合刷式密封泄漏特性的數(shù)值研究

魏 塬，陳照波，焦映厚

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，150001哈爾濱）

混合刷式密封泄漏特性的數(shù)值研究

魏 塬，陳照波，焦映厚

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，150001哈爾濱）

為分析某型號汽輪機改進的刷式密封結構的密封性能，采用non?Darcian多孔介質模型的Reynolds?averaged Navier?Stokes方程數(shù)值求解方法，對泄漏流動特性及轉子表面、刷束自由高度和保護高度的壓力、速度、湍流動能分布規(guī)律進行數(shù)值研究，并與迷宮密封進行相應的比較.結果表明：相同的間隙和壓比下，混合刷式密封流場分布要比迷宮密封復雜，泄漏量明顯小于迷宮密封；相同的結構和參數(shù)下，泄漏量隨著壓比的上升而增加；轉子表面的軸向壓力和湍流動能從進口到出口呈現(xiàn)階梯狀遞減趨勢，保護高度的徑向壓力基本趨于常數(shù)值；刷束徑向速度和湍流動能隨著壓比的上升而增加，刷束下半部分和后擋板保護高度對泄漏特性影響比較大.研究結果為汽輪機刷式密封的結構設計，改善性能，提供了理論依據(jù).

混合刷式密封；non?Darcian多孔介質模型；泄漏流動特性；分布規(guī)律；數(shù)值研究

自上世紀80年代開始，刷式密封技術已廣泛地應用于航空發(fā)動機等旋轉機械.與傳統(tǒng)的迷宮密封相比，刷式密封具有更好的密封性能和穩(wěn)定性［1-3］.泄漏流動對刷式密封的性能，包括刷絲硬化、遲滯、磨損、剛度、抗壓能力等都將產生重要影響.目前，國內外學者對刷式密封泄漏流動的研究主要采用實驗研究和數(shù)值計算兩種方式.Bayley等［4］提出了二維多孔介質模型，對后擋板的徑向壓力分布和刷束端部的軸向壓力分布進行了實驗研究.Turner等［5］進一步研究了徑向間隙為0.27 mm和0.75 mm情況下的刷絲磨損和泄漏特性. Chew等［6-7］引入non?Darcian多孔介質模型對刷絲束內的泄漏特性進行了數(shù)值模擬.Dogu等［8-10］對多孔介質模型計算方法進行改進，詳細研究了刷式密封的徑向間隙、前擋板和后擋板結構對泄漏特性的影響.李軍等［11-12］對刷式密封泄漏流動進行了數(shù)值模擬和實驗研究，分析了密封間隙、壓比和轉速對泄漏流動的影響.其他密封結構和刷式密封混合應用于燃氣輪機等旋轉機械的軸封可以改善密封性能和可靠性［13］，但當前研究多針對單環(huán)刷式進行密封，對混合刷式密封泄漏流動特性的分析并不多.

本文針對某型號汽輪機改進的刷式密封結構進行密封性能分析，采用基于non?Darcian多孔介質模型的reynolds?averaged navier?stokes（RANS）方程數(shù)值求解方法，對混合刷式密封泄漏流動特性及轉子表面、刷束自由高度和保護高度的壓力、速度、湍流動能分布規(guī)律進行了數(shù)值研究，并與相同結構參數(shù)的平齒迷宮密封進行了相應對比，為刷式密封的結構設計提供了理論依據(jù).

1 數(shù)值計算模型

混合刷式密封結構如圖1所示，采用刷式密封來代替平齒迷宮密封中間位置的一個迷宮齒，刷束厚度為0.8 mm，刷束底端到后擋板底部的保護高度為1.4 mm，刷束底端到前擋板底部刷束自由高度為8.84 mm，轉子直徑為90.41 mm，齒高為11.0 mm，ω為轉子轉速600 rad／s，迷宮齒與轉子表面的徑向間隙為0.2 mm，刷束底端與轉子表面的徑向間隙為0.14 mm.

圖1 混合刷式密封結構

刷束是由大量的細刷絲緊密排列組成的，氣流通過刷束時密度將發(fā)生很大的變化，因此把通過上游和下游區(qū)域的氣體作為理想可壓縮氣體處理：

式中：P為氣壓，ρ為氣體密度，R為氣體常數(shù)，T為溫度．

由于刷式密封的刷束區(qū)域具有各向異性多孔介質滲流的特性，其流動控制方程為

式中：χi為流動方向；ui為χi方向的流速；ρ為氣體密度；p為壓力；τij＝μeff［（?ui／?χj）＋?uj／?χi）］-（2／3）δijμeff（?u1／?χ1），μeff＝μ＋μt，μ和μt分別表示分子黏度和湍流黏度．

本文采用non?Darcian多孔介質模型，針對刷式密封在式（1）的基礎上增加了黏性阻力項和慣性阻力項［11，14-16］：

式中：Ai和Bi分別表示刷束內部的黏性阻力和慣性阻力系數(shù)矩陣，i表示徑向、軸向和圓周3個方向，

式中：θ為刷絲傾角，an、az和as分別為垂直于刷絲方向、軸向和刷絲平行方向的黏性阻力系數(shù)，bn、bz和bs分別表示對應的慣性阻力系數(shù)．

聯(lián)立式（2）～（4）可得到刷絲沿軸向和徑向的作用力為

式中u、v表示軸向和徑向速度．

圖2表示與文獻［4］采用相同結構尺寸時，不同壓比條件下計算流體力學（CFD）數(shù)值計算結果與Bayley試驗數(shù)據(jù)的對比，其中刷束黏性阻力系數(shù)Ai和慣性阻力系數(shù)Bi取值是文獻［11］的經驗值，Ai在徑向、軸向和圓周3個方向分別取值為1.5×105、5.5×107和5.5×107kg／（m3s），Bi為1.5×105、8.0×106和8.0×106kg／m4.由圖2可以看出，刷式密封泄漏量數(shù)值計算值與試驗數(shù)據(jù)基本一致，所選用的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)能較為準確的計算泄漏量.

圖2 刷式密封CFD計算值與試驗數(shù)據(jù)的對比

2 CFD模型

刷封計算域由周向截面內的刷絲束多孔介質區(qū)域和流體區(qū)域組成，先對其進行初步的網(wǎng)格劃分，然后不斷改進，經網(wǎng)格獨立性驗證后確定的網(wǎng)格數(shù)為16萬，如圖3所示.

圖3 混合刷式密封計算模型

采用CFD軟件FLUENT有限體積方法離散控制方程，壓力耦合方程半隱式格式SIMPLE算法和標準k-ε兩方程紊流模型進行求解，對流項和擴散項均采用2階迎風格式.轉子表面和刷絲束前后擋板表面為壁面無滑移條件，轉子轉速依工況而定，進口溫度為20℃，進口總壓為0.1～0.8 MPa，出口靜壓取0.1 MPa.

3 計算結果及分析

3.1 泄漏量

圖4為迷宮齒徑向間隙為0.2 mm時相同結構尺寸迷宮密封和圖1所示混合刷式密封的泄漏量比較，Rp為進出口壓力比值.可以看出，隨著壓比的增加，兩者的泄漏量均上升.與迷宮密封相比，混合刷式密封泄漏量可以減小15.3%以上.

圖4 混合刷式密封和迷宮密封泄漏量對比

3.2 流場分布

圖5、6為相同結構尺寸的混合刷式密封和迷宮密封的流場分布圖，由圖5可知，泄漏射流通過密封齒后形成一個逆時針方向的大漩渦，再進入下一個密封齒，迷宮密封的泄漏流動如此循環(huán)一直到出口.由圖6可知，泄漏射流進入第一個密封齒后，一部分在腔室內形成2個順時針方向的漩渦，另一部分沿轉子壁面向前流動，遇到第二個密封齒后形成1個逆時針方向的漩渦.氣流撞擊到刷絲束后，一部分通過刷絲束內部進行滲透，另一部分通過刷絲束與轉子表面的徑向間隙進入下游腔室.混合刷式密封的氣流依照這樣的方式在內部腔室內流動.

圖5 迷宮密封流場分布圖（Rp＝4）

圖6 混合刷式密封流場分布圖（Rp＝4）

3.3 壓力分布

圖7為混合刷式密封在壓比為1.5、2.5和3.5時靜態(tài)壓力的分布情況，其中BS表示混合刷式密封，LS表示迷宮密封.由圖7（a）可知，迷宮密封與混合刷式密封的靜態(tài)壓力基本相同，轉子表面的軸向壓力從進口到出口呈現(xiàn)階梯狀遞減趨勢，壓降主要是由于射流撞擊密封齒和刷束而導致的，在每個腔室的其他區(qū)域，壓力相對穩(wěn)定，同時隨著壓比Rp的上升，壓力變化的幅度增加.由圖7（b）可知，除刷束下端區(qū)域外，刷束自由高度的徑向壓力基本趨于常數(shù)值，這是由于徑向壓力產生了刷絲吹下現(xiàn)象，并且壓力值隨著壓比Rp的上升而增加．由圖7（c）可知，保護高度區(qū)域的徑向壓力變化不明顯.

圖7 混合刷式密封靜態(tài)壓力分布

3.4 速度分布

圖8為混合刷式密封在壓差為1.5、2.5和3.5時各個位置的速度分布情況，由圖8（a）可知，迷宮密封和混合刷式密封轉子表面的流體軸向速度基本趨于零，這是因為轉子表面為旋轉壁面，流體不能通過.由圖8（b）可知，刷束下半部分流體的徑向速度明顯上升，而在底部由于刷絲變形，流體徑向速度開始下降，并且徑向速度隨著壓比Rp的增加而上升．由圖8（c）可知，進口速度均勻的來流逐漸向刷絲束的下半部分偏流，在刷束內部滲透繼續(xù)向后擋板保護高度區(qū)域偏流，進入保護高度區(qū)域后，由于壓降以及流通間隙突縮，流體徑向速度突然上升并在后擋板的前拐角處達到峰值，從保護高度中高速沖出的流體在下游區(qū)域形成逆時針方向的回流，這表明刷束的下半部分對密封性能的影響更大.同時，由于刷束自由高度遠大于保護高度，隨著壓比的增加，自由高度區(qū)域的徑向速度的變化更為明顯.

圖8 混合刷式密封速度分布

3.5 湍流動能分布

混合刷式密封3個位置的湍流動能分布如圖9所示，由圖9（a）可知，混合刷式密封的湍流動能變化要比迷宮密封明顯得多，而對于同一壓比下的刷式密封，轉子表面的湍流動能在迷宮齒和刷束位置出現(xiàn)了驟降，下降幅度逐漸降低，并且刷束區(qū)域的湍流動能明顯要大于前一個迷宮齒，這使得泄漏流體的動能有效的轉換為熱能，以達到良好的密封效果.由圖9（b）、（c）可知，由于刷束和轉子表面的徑向間隙區(qū)域存在很強的射流，因此刷束自由高度和后擋板保護高度區(qū)域的底部的湍流動能明顯要大于其他位置，這需要刷束具有足夠的剛度以防止其過度的變形來保證密封的穩(wěn)定性.由圖10可知，減小刷束徑向間隙能有效降低湍流動能，可將圖1的刷束徑向間隙設計為0，以最大限度的保證其剛度，減小刷絲擾動的影響.

圖9 混合刷式密封湍流動能分布

圖10 不同徑向間隙下刷束自由高度湍流動能分布

4 結 論

1）采用non?Darcian多孔介質模型的RANS方程數(shù)值求解方法，首次對混合刷式密封轉子表面、刷束自由高度和保護高度的靜態(tài)壓力、速度、湍流動能分布規(guī)律同時進行了數(shù)值研究.

2）數(shù)值模擬計算表明，相同結構參數(shù)條件下，泄漏量隨著壓比的上升而增加，混合刷式密封較迷宮密封的泄漏量減少15.3%以上.

3）轉子表面的軸向壓力和湍流動能從進口到出口呈現(xiàn)階梯狀遞減趨勢，保護高度的徑向壓力基本趨于常數(shù)值.

4）由于轉子表面為旋轉壁面，迷宮密封和混合刷式密封轉子表面流體的軸向速度基本趨于零，刷束徑向速度和湍流動能隨著壓比的上升而增加.

5）刷束下半部分和后擋板保護高度對泄漏特性影響比較明顯，可以采取適當措施增加刷束下半部分對流體的阻力來降低泄漏.

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（編輯 楊 波）

Numerical study of leakage flow characteristics in hybrid brush seal

WEI Yuan，CHEN Zhaobo，JIAO Yinghou

（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China）

To know the sealing performance of an improved brush seal on turbine，the leakage flow characteristics and distribution on rotor surface，bristle pack free height and fence height were numerically analyzed by adopting a non?Darcian porous medium model.And a corresponding comparison between labyrinth seal and brush seal was performed.The analysis shows that at the same clearance and pressure ratio the flow fields in hybrid brush seal are more complex than that in labyrinth seal and the leakage rate of brush seal is significantly less than that of labyrinth seal，at the same structure and parameters the leakage rate increase with the rise in pressure ratio.More over，the axial static pressure and turbulent kinetic energy of rotor surface gradually decline with a ladder?like distribution from inlet to outlet，the racial static pressure of fence height tends to be constant values.The radial velocity and turbulent kinetic energy increase with the rise in pressure ratio.The lower parts of the bristle and the fence height have obvious effect on the leakage characteristics.The results provide theoretical basis for the design of brush seal structure and the improvement of performance.

hybrid brush seal；non?Darcian porous medium model；leakage flow characteristics；distribution；numerical analysis

TK262

：A

：0367-6234（2014）11-0047-06

2013-12-06.

國家自然科學基金（11272100）.

魏 塬（1985—），男，博士研究生；陳照波（1967—），男，教授，博士生導師；焦映厚（1962—），男，教授，博士生導師.通信作者：陳照波，chenzb＠hit.edu.cn.