偏心和轉(zhuǎn)速對汽輪機隔板汽封泄漏量的影響*

曹麗華 李 超 李 盼

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院)

偏心和轉(zhuǎn)速對汽輪機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均N-S方程，模擬分析了當(dāng)轉(zhuǎn)子存在偏心時，偏心距和轉(zhuǎn)速對汽輪機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 隔板汽封間隙 偏心距 轉(zhuǎn)速 泄漏量

汽輪機級內(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)電機組的發(fā)電效率[1]。現(xiàn)代汽輪機逐步向高參數(shù)發(fā)展[2]，而當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)子存在偏心時，在隔板汽封內(nèi)由于周向間隙的不對稱分布，將對隔板汽封間隙內(nèi)流動造成一定的影響。

Hirano T等對比分析了兩種不同CFD軟件對汽封流場的模擬效果，證明了運用數(shù)值模擬方法分析汽封內(nèi)流動的可行性[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特性和總壓損失機理[4]。Bozzi L等通過數(shù)值模擬與實驗對比，證明了間隙改變對汽封內(nèi)流動有著顯著的影響[5]。Rosenberg S S指出在迷宮密封內(nèi)，轉(zhuǎn)速較小時摩擦效應(yīng)起主要作用，轉(zhuǎn)速較高時則以慣性力為主[6]。丁學(xué)俊等利用Fluent軟件，對不同結(jié)構(gòu)迷宮密封的內(nèi)部流動和泄漏特性進(jìn)行了對比和分析[7]。張為榮和王強對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，間隙對泄漏的影響最大[8]。

然而，上述研究均未考慮轉(zhuǎn)速對汽封流場的影響，而且在結(jié)構(gòu)和運行工況上，與汽輪機迷宮密封相比，都存在一定的差異。由于汽封間隙很小，汽輪機的高速旋轉(zhuǎn)會對汽流產(chǎn)生一定的離心作用，必然會對漏汽量產(chǎn)生影響。李軍等指出，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用在對隔板汽封流場的分析中不能忽視[9]。周國宇等通過數(shù)值模擬與實驗對比的方法，得出在轉(zhuǎn)速較小的情況下轉(zhuǎn)子無偏心時，轉(zhuǎn)動對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，汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得隔板汽封的漏汽量與靜止時相比較大[11]。

筆者從分析汽輪機隔板汽封間隙泄漏流入手，采用CFD軟件對汽輪機高壓缸第2壓力級的高低齒隔板汽封進(jìn)行數(shù)值研究，分析轉(zhuǎn)子存在靜偏心時汽封間隙和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對隔板汽封泄漏量的影響，從而為汽輪機設(shè)計人員提供一定的理論參考。

1 計算模型和數(shù)值方法

1.1計算模型

計算模型選用的是某國產(chǎn)300MW汽輪機高壓缸第二壓力級的隔板汽封，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

密封間隙s0.1～0.5mm

齒厚i0.3mm

凸臺高度h2.4mm

齒間距a3.0mm

齒間距b4.2mm

凸臺寬度w9mm

1.2基本控制方程

計算區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)三維流體動力學(xué)通用控制方程為：

div(ρuφ)=div(Γφgrandφ)+Sφ

式中Sφ——廣義源項；

φ——通用變量，可表示u、v、t、k及ε等求解變量；

Γφ——廣義擴散系數(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模型對于強旋流或者帶有彎曲壁面的流動計算具有更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。壓力和速度耦合采用Simple算法。方程的離散項采用二階迎風(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算汽封內(nèi)泄漏流的特性。通過分塊劃分，保證結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的質(zhì)量。為了提高計算精度，對汽封流域內(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)量對計算結(jié)果的影響降到最低，筆者進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量超過600萬后計算結(jié)果變化趨勢逐漸減小，超過700萬后基本不變，因此可認(rèn)為超過700萬后網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響很小。最終確定不同模型的計算網(wǎng)格數(shù)在700萬～750萬之間。

工質(zhì)采用高溫高壓可壓縮的過熱水蒸氣。計算區(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)。非動面設(shè)為絕熱的無滑移壁面。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 計算結(jié)果與分析

2.1間隙對泄漏量的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)子無偏心時，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，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，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，隔板汽封腔室內(nèi)壓力的變化情況如圖4所示?？梢钥闯?，壓力從左向右依次降低，密封齒與轉(zhuǎn)動部分構(gòu)成多個間隙狹窄的齒縫，當(dāng)汽體通過齒縫時壓力加速降低，通過密封齒的逐級作用，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，而在每個空腔內(nèi)的壓力變化并不大。當(dāng)汽體由間隙流入空腔時，由于流域面積突然增加而形成強烈的漩渦，導(dǎo)致汽流動能損耗較多并轉(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，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偏心對泄漏量的影響

在相同邊界條件下，隔板汽封間隙的變化會引起泄漏量的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在偏心時，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，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，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，泄漏量達(dá)到最大值0.649kg/s；當(dāng)偏心距超過0.06mm后泄漏量略有下降；當(dāng)偏心距為0.08mm時，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，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，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。這是因為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶來的旋轉(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)子無偏心和偏心距為0.04mm時，泄漏量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢钥闯觯?dāng)轉(zhuǎn)子在偏心工況和非偏心工況下時，泄漏量均隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低。轉(zhuǎn)速較小時，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)而在間隙逐漸擴散的區(qū)域處擴張，加快汽流動能損耗，因此使得在轉(zhuǎn)速較小時相同工況下，轉(zhuǎn)子存在偏心時的泄漏量更小。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，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，此時轉(zhuǎn)子存在偏心時的泄漏量較大。

圖7 不同偏心距時泄漏量與轉(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，對于高低齒隔板汽封，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，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，偏心時隔板汽封的泄漏量受轉(zhuǎn)速影響較大。

[1] 葉建槐,劉占生.高低齒迷宮密封流場和泄漏特性CFD研究[J].汽輪機技術(shù),2008,50(2):81～84.

[2] 魏琳健,李春清,高雷,等.汽輪機密封技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].熱能動力工程,2005,20(5):455～458.

[3] Hirano T,Guo Z,Kirk R G.Application of Computational Fluid Dynamics Analysis for Rotating Machinery-Part II: Labyrinth Seal Analysis[J].Journal of Engineering for Gas Turbines & Power,2005,127(4):820～826.

[4] Vakili A D,Meganathan A J,Michaud M,et al.An Experimental and Numerical Study of Labyrinth Seal Flow[C].ASME Turbo Expo 2005:Power for Land,Sea,and Air.Reno:ASME,2005:1121～1128.

[5] Bozzi L,D′Angelo E,Facchini B,et al.Experimental Investigation on Leakage Losses and Heat Transfer in a Non Conventional Labyrinth Seal[C].ASME 2011 Turbo Expo:Turbine Technical Conference and Exposition.Vancouver:ASME, 2011:955～965.

[6] Rosenberg S S.Investigating Aerodynamic Transverse Forces in Labyrinth Seals in Cases Involving Rotor Eccentricity(Rotor Precession in Steam Turbines)[J].Energomashinostroenie,1974,8(8):15～17.

[7] 丁學(xué)俊,楊彥磊,肖國俊,等.迷宮密封流場與泄漏特性研究[J].流體機械,2006,34(4):14～18.

[8] 張為榮,王強.汽封流場及泄漏特性的數(shù)值模擬分析[J].汽輪機技術(shù),2008,50(2):98～99.

[9] 李軍,李國君,豐鎮(zhèn)平.汽輪機光軸迷宮式隔板汽封內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J].動力工程學(xué)報,2005,25(3):321～324.

[10] 周國宇,王旭東,林智榮,等.高低齒迷宮密封泄漏量實驗及計算分析[J].工程熱物理學(xué)報,2015,36(9):1889～1893.

[11] 曹麗華,胡鵬飛,徐偉,等.動靜態(tài)汽封內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J].化工機械,2010,37(5):617～621.

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

*國家自然科學(xué)基金項目(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)