汽封管路數(shù)值模擬計算及改進(jìn)研究*

吳宏霞，劉慶龍，顧 磊

(1.杭州蕭山技師學(xué)院，浙江 杭州 311201；2.杭州中能汽輪動力有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

汽輪機(jī)是一種利用蒸汽作為動力源的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備，動、靜部件之間存在一定的間隙。為了減少汽輪機(jī)內(nèi)部的高壓高溫氣體向機(jī)組外泄漏，必須在汽輪機(jī)動靜之間安裝汽封。

汽封形式最為常見的是曲徑式汽封，也稱為迷宮式汽封或者齒形汽封[1]。也有其他形式的汽封，如蜂窩汽封、刷式汽封、接觸式汽封，雖然汽封效果更好，但成本較高，一般在高參數(shù)、大容量機(jī)組中才有應(yīng)用[2]。汽輪機(jī)中軸端汽封、隔板汽封和葉頂汽封大多采用曲徑式汽封，分析和改造該種汽封具有普遍意義。汽封如果密封性不好，將導(dǎo)致大量蒸汽從間隙中泄露，降低汽輪機(jī)效率，并且可能引起振動問題。

采用數(shù)值模擬的方法來分析汽封性能日趨成熟，本文將采用三維模擬軟件CFX對現(xiàn)有曲徑式汽封進(jìn)行模擬計算分析[3]，以改進(jìn)汽封管路結(jié)構(gòu)，提升汽封效果。

1 汽封流量的兩種計算方法

汽封流量一般可通過經(jīng)驗公式來計算。利用芬諾曲線推導(dǎo)得出試驗參數(shù)修正的汽封漏氣計算公式，具體如下[4]：

(1)

式中:G—流量；μδ—流量矯正系數(shù)；F—汽封最小截面積；πz—壓比；z—汽封齒數(shù)；P0—前汽封壓力；R—水蒸氣氣體常數(shù)；T0—絕對溫度。

此外，計算流體動力學(xué)(CFD)是汽封流量計算的另一種方法。本文采用英國AEA公司開發(fā)的實用流體工程分析工具CFX這一商業(yè)CFD軟件，來對汽封漏氣進(jìn)行模擬計算。

為驗證CFX模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格無關(guān)性，本研究先對較為簡單的汽封進(jìn)行計算，并同理論計算結(jié)果進(jìn)行比較。模型為1/12環(huán)狀模型，軸向側(cè)是循環(huán)對稱邊界。

單組汽封尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 單組汽封尺寸示意圖/mm

圖1中，汽封齒軸徑為195 mm，一共使用了6組交替齒汽封，6組汽封齒前后各有一段空間作為流體流動區(qū)域，以減小邊界對內(nèi)部流動的影響。汽封齒結(jié)構(gòu)上下齒高度和寬度均完全一致，多組汽封齒間間隙均為3.0 mm?？紤]到實際運行過程中汽封有所磨損，取汽封間隙為0.5 mm，大于一般設(shè)計尺寸[5]。

數(shù)值模擬采用有限體積法離散控制方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，數(shù)值求解方法采用SIMPLE算法，離散格式取二階迎風(fēng)格式[6]。網(wǎng)格經(jīng)過無關(guān)性驗證，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

單組汽封流量計算參數(shù)選取如下：流量矯正系數(shù)為0.71，汽封最小截面積為3.063×10-4m2，壓比為0.225 3，汽封齒數(shù)12組，進(jìn)口壓力1.489 6 MPa，出口壓力0.335 7 MPa，工質(zhì)為IF97規(guī)定的過熱蒸汽，蒸汽溫度為320 ℃。按照該條件，汽封齒間平均Re數(shù)約為1×105，處于湍流狀態(tài)。

單組汽封流量計算結(jié)果比較如表1所示。

表1 單組汽封流量計算結(jié)果比較

由表1可以看出：雖然使用了不同的計算方法，但是計算結(jié)果較為接近，誤差為6.72%。理論公式計算方法由于結(jié)合了試驗參數(shù)修正，其誤差修正僅通過較早期的汽封結(jié)構(gòu)和加工裝配工藝進(jìn)行修正，并不能真實反映現(xiàn)有機(jī)組的漏氣情況，在工程快速計算和汽輪機(jī)熱力計算中采用，但是精度較差。而CFD方法通過計算機(jī)模擬得到更加精確的計算結(jié)果，但計算較為復(fù)雜、耗時較長，在理論研究和工程研究中被廣泛采用。

2 汽封建模及數(shù)值模擬

本研究對某機(jī)組的汽封部分進(jìn)行三維實體建模，汽封間隙為0.5 mm，汽封平衡管道直徑為50 mm，汽封模型參數(shù)與上述單組汽封模型參數(shù)一致。

汽封整體模型示意圖如圖2所示。

圖2 汽封整體模型示意圖

圖2中，模型為豎直對稱模型，包括高壓段汽封、中間過渡段、平衡管路、低壓段汽封四部分，其中高壓段汽封作為入口。考慮到汽封漏氣和平衡管路的抽吸能力不足，及環(huán)形空間氣流不均勻，因而對低壓段汽封出口和平衡管路出口均采用開放性邊界。整體模型從宏觀上看，蒸汽從高壓段汽封進(jìn)入并穿過迷宮式的高壓段汽封齒，進(jìn)入中間過渡段。中間過渡段分為數(shù)段，在兩段汽封中間成環(huán)狀的是汽封主體過渡段，其下方是平衡管抽吸口及抽吸通道。該通道的腰圓孔連接環(huán)狀過渡段，腰圓孔下方是一段方形腔室，起穩(wěn)壓作用，稱之為穩(wěn)壓段。蒸汽流入該腔室后壓力上升，流速降低。最下方連接的是汽輪機(jī)平衡管路。

模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 汽封網(wǎng)格劃分示意圖

圖3中，為了計算邊界效應(yīng)，本研究給定模型邊界層第一層厚度為0.08 mm，其余部分為自由網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 mm。

汽封管道截面壓力分布云圖如圖4所示。

圖4 汽封管道截面壓力分布云圖/Pa

由圖4可以看出：過渡段和汽封管道壓力跨度較小，顏色差別不大，而中間環(huán)狀過渡段，頂部壓力與底部抽吸口附近壓力相差2 kPa左右，在整體通道中較為明顯。這是由于平衡管道的抽吸口在下方，抽吸壓力經(jīng)過下方汽封漏氣的補(bǔ)充，其負(fù)壓被填補(bǔ)了一部分，傳遞到上方頂部的壓力就相對變大。當(dāng)抽吸壓力較小(相對負(fù)壓較小)或汽封管道管徑較小時，傳遞到上方的負(fù)壓就會變得很小。極限情況下，負(fù)壓消失，即上方壓力不受抽吸壓力影響，此時中間過渡段汽封抽吸力不足，將導(dǎo)致低壓段汽封漏氣量明顯增加。因此，保持一定的抽吸壓力尤為重要。此外，穩(wěn)壓段之后的平衡管內(nèi)流動壓力損失較小，壓力損失不足1 000 Pa。

汽封管道截面速度分布云圖如圖5所示。

圖5 汽封管道截面速度分布云圖/(m·s-1)

由圖5可以看出：中間環(huán)狀過渡段上方速度大于下方，中間穩(wěn)壓段內(nèi)部蒸汽流速很低，流速在16 m/s以下，穩(wěn)壓作用較為明顯。當(dāng)流體進(jìn)入下方平衡管道后，速度提升上去，平衡管道的主體流速范圍為20 m/s～30 m/s，管道內(nèi)部蒸汽流速固定。

汽封流量計算參數(shù)選取如下：高壓段進(jìn)口壓力1.489 6 MPa，高壓段汽封齒數(shù)15組，汽封平衡管出口壓力0.335 7 MPa，低壓段出口壓力0.13 MPa，低壓段汽封齒數(shù)8組，模擬介質(zhì)為IF97規(guī)定的過熱蒸汽，蒸汽溫度為320 ℃，壁面邊界絕熱，湍流模型為K-ε模型，進(jìn)口湍流度為5%，其他參數(shù)選取與上述單組汽封相同。

汽封流量計算結(jié)果比較如表2所示。

表2 汽封流量計算結(jié)果比較

由表2可以看出：CFX模擬計算結(jié)果與理論計算結(jié)果誤差不大。由于抽吸壓力傳播無法覆蓋整個環(huán)狀過渡段，無法保證汽封出口壓力恒定，汽封流量也不均衡。高壓段汽封壓力比理論值低，導(dǎo)致CFX模擬計算出的流量比理論計算出的流量小。而低壓段汽封壓力比理論值高，故CFX模擬計算出的流量比理論計算出的流量大。

3 汽封結(jié)構(gòu)改進(jìn)及仿真結(jié)果分析

為增加汽封密封效果，錯對現(xiàn)有機(jī)組的汽封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[7]?？紤]到現(xiàn)實情況，特別是現(xiàn)場機(jī)組漏氣問題處理時，汽封改造較為困難且成本較高，本文采用了一種較為簡易的辦法即加粗中間段平衡管。由于平衡管一半位于機(jī)組下方，現(xiàn)場管道和基礎(chǔ)布置錯綜復(fù)雜，因此平衡管徑增加只能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行。

兩種平衡管路示意圖如圖6所示。

圖6 兩種平衡管路示意圖

圖6中，A型平衡管為常規(guī)平衡管，管道直徑50 mm；B型平衡管為加粗平衡管，中間加粗部分管道直徑80 mm，中間用標(biāo)準(zhǔn)縮節(jié)連接；管道總長1 100 mm，中間段400 mm，兩頭各350 mm。

平衡管模型參數(shù)如表3所示。

表3中，平衡管網(wǎng)格和熱力參數(shù)選取與上述相同，入口設(shè)置進(jìn)口流速，保證兩管道流量一致。

改造前后平衡管性能參數(shù)計算結(jié)果比較如表4所示。

表3 平衡管模型參數(shù)

表4 改造前后平衡管性能參數(shù)計算結(jié)果比較

由表4可以看出：由于給定的是流速條件，因此A型、B型平衡管流量一致，但平衡管入口壓力不同，且B型平衡管的總壓降比A型平衡管小10%。此外，B型平衡管總壓損失較小，更有利于蒸汽流動。

具體分析A型和B型平衡管的流動情況。兩種平衡管截面壓力分布云圖如圖7所示。

圖7 兩種平衡管截面壓力分布云圖/Pa

圖7中，A型平衡管是簡單彎管流動，在彎頭內(nèi)側(cè)產(chǎn)生低壓，外側(cè)出現(xiàn)高壓；B型平衡管加粗段壓力升高，加粗段主體部分壓力在336 500 Pa左右，比A型管道內(nèi)壓力高近1 000 Pa。

進(jìn)一步說明A型和B型平衡管內(nèi)流動狀況，兩種平衡管截面速度分布云圖如圖8所示。

圖8 兩種平衡管截面速度分布云圖/(m·s-1)

圖8中，B型平衡管截面速度在15 m/s甚至10 m/s以下，而A型管內(nèi)流速為28 m/s，與入口速度相差不大；B型管內(nèi)蒸汽在加粗段速度下降很快，壓力升高，但在離開加粗段之后，其速度與A型較為接近。

由表4、圖(7,8)可以看出：平衡管加粗后，即使增加了兩端縮節(jié)損失，但汽封效果仍明顯提升，管內(nèi)流速下降，壓力升高，管內(nèi)總壓損失較小，平衡管出口壓力更容易傳遞到平衡管進(jìn)口。實際改造時受到周圍設(shè)備布置的影響，管道加粗措施有所限制。對于上述管徑為50 mm的平衡管路，由于平衡管本身較短，現(xiàn)場布置大于100 mm管徑的平衡管較為不易，而且一般縮節(jié)跨度為三檔管徑，變化太大縮節(jié)不容易采購安裝。這些問題在改造時應(yīng)引起注意。

4 結(jié)束語

針對汽封的密封性問題，本文采用三維模擬軟件CFX對現(xiàn)有曲徑式汽封進(jìn)行模擬計算分析，并進(jìn)一步改進(jìn)了汽封管路結(jié)構(gòu)，提升了汽封效果。

結(jié)論如下：汽封管道抽吸壓力的傳播對汽封漏氣量影響很大；復(fù)雜的通流結(jié)構(gòu)會減小傳遞到汽封側(cè)的抽吸壓力，導(dǎo)致后段汽封入口壓力增大，引起汽封系統(tǒng)漏氣量增加；汽封流量的理論計算與CFX模擬計算結(jié)果有一定誤差，主要由理論計算的修正系數(shù)引起。

當(dāng)平衡管徑足夠大時，抽吸壓力能夠傳遞到汽封各個部分，汽封效果和漏氣量與理論較為接近。但是，當(dāng)中間過渡段結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，抽吸壓力無法傳遞到汽封所有出口，汽封總體漏氣量增加，汽封效果變差。而加粗平衡管道，會使汽封管道壓損減少，過渡段壓力增大，高壓段漏氣減少，汽封效果提高。

對比其他一些汽封改造措施[8-10]，根據(jù)分析結(jié)果可知：增大平衡管路是一種簡單有效而又經(jīng)濟(jì)的提升現(xiàn)有機(jī)組汽封效果的方法。