間距對(duì)快堆燃料組件迷宮密封結(jié)構(gòu)性能影響的數(shù)值模擬

秦亥琦，陸道綱，王嘉瑞，王 雨，鐘達(dá)文，宋 怡

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206； 2.華北電力大學(xué) 非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

迷宮密封結(jié)構(gòu)作為典型的非接觸式密封，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等流體機(jī)械中，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、無(wú)直接接觸等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、高壓、高流速等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景[1]。鈉冷快堆因其在提高鈾資源利用率方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為世界第4代先進(jìn)核電技術(shù)的重要選擇，代表了未來(lái)核能發(fā)展的前進(jìn)方向，快堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱工流體力學(xué)特性等也成為國(guó)內(nèi)外研究的前沿問(wèn)題[2]。將迷宮密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于快堆燃料組件入口段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)與管腳開(kāi)孔的相互配合及適宜的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)漏流量的合理控制，在實(shí)現(xiàn)內(nèi)部燃料棒有效冷卻的同時(shí)兼顧燃料組件外壁面的冷卻，最終可保證快堆的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，迷宮密封結(jié)構(gòu)多樣、性能各異，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了很多相關(guān)研究。Stoff[3]針對(duì)不可壓縮流體在矩形齒迷宮密封內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬；Rhode等[4]利用有限差分法對(duì)可壓縮流體在矩形齒迷宮密封內(nèi)的漏流量進(jìn)行了數(shù)值模擬。在國(guó)內(nèi)，肖芳等[1]以壓縮機(jī)迷宮密封為研究對(duì)象，利用FLUENT軟件模擬了氣體在矩形齒迷宮密封內(nèi)的流動(dòng)情況，并研究了間隙、空腔深度對(duì)密封泄漏量的影響；巴鵬等[5]進(jìn)行了矩形齒迷宮密封的二維非結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬，研究了在該場(chǎng)景下間隙、空腔深度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響；巴鵬等[6]以五環(huán)矩形齒迷宮密封為研究對(duì)象，通過(guò)三維數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了間隙對(duì)密封性能的影響，認(rèn)為周向湍流對(duì)迷宮密封效果影響顯著，且隨間隙的增加，節(jié)流效應(yīng)降低；李志剛等[7]針對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的典型迷宮密封通過(guò)數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)速、壓比、密封間隙等環(huán)境參數(shù)對(duì)密封性能的影響；丁學(xué)俊等[8]針對(duì)不可壓縮流體，研究了間隙、齒厚、齒形等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)迷宮密封性能的影響。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于迷宮密封的研究較為單一，多集中于氣體工質(zhì)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的應(yīng)用場(chǎng)景下迷宮密封性能的研究，此外密封結(jié)構(gòu)形狀主要以矩形齒居多，且齒數(shù)低于5個(gè)。本文采用三維數(shù)值模擬方法研究不可壓縮的液態(tài)金屬在鈉冷快堆燃料組件迷宮密封結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)特性，為快堆燃料組件相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后續(xù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)提供參考，也為相關(guān)非旋轉(zhuǎn)機(jī)械迷宮密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 快堆燃料組件迷宮密封結(jié)構(gòu)

迷宮密封結(jié)構(gòu)位于燃料組件冷卻劑入口上部，大部分冷卻劑通過(guò)管腳開(kāi)孔進(jìn)入組件內(nèi)部冷卻燃料棒，少部分冷卻劑通過(guò)密封結(jié)構(gòu)沿組件外壁面形成漏流，構(gòu)成旁路流量的一部分。快堆燃料組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

迷宮密封結(jié)構(gòu)總高96 mm，沿冷卻劑流動(dòng)方向共設(shè)置11組環(huán)形直角梯形狀阻流結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)與外部燃料組件管腳套筒間隙為1 mm，該狹小空間構(gòu)成漏流流動(dòng)通道，漏流自下而上通過(guò)迷宮密封結(jié)構(gòu)。圖2示出迷宮密封結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

圖2 迷宮密封結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Parameter schematic of labyrinth-seal structure

2 計(jì)算模型及邊界條件

2.1 物性參數(shù)

迷宮密封結(jié)構(gòu)位于快堆燃料組件進(jìn)口段，為充分模擬實(shí)際工作情況，計(jì)算過(guò)程中選擇較為接近的360 ℃作為計(jì)算溫度，在進(jìn)行雷諾數(shù)計(jì)算時(shí)亦選擇該溫度對(duì)應(yīng)的各類物性參數(shù)，計(jì)算介質(zhì)選擇實(shí)際工質(zhì)金屬鈉，通過(guò)如下公式計(jì)算得到工質(zhì)物性參數(shù)[9]。

液態(tài)金屬鈉的密度ρ為：

ρ=972.5-20.11×10-2t-1.5×10-4t2

(1)

式中，t為攝氏溫度。

動(dòng)力黏度η為：

η=0.123 5×10-4ρ1/3e0.697ρ/T

(2)

式中，T為開(kāi)氏溫度。

由此得到360 ℃對(duì)應(yīng)的鈉密度為865.71 kg/m3，動(dòng)力黏度為3.02×10-4Pa·s。

快堆燃料組件多采用奧氏體不銹鋼制造，該種材料在溫度升高時(shí)易發(fā)生膨脹，屬于高膨脹合金，在計(jì)算過(guò)程中為盡可能與實(shí)際情況接近，故須考慮溫度對(duì)于材料膨脹的影響，查閱《常用金屬材料熱膨脹系數(shù)表》得到360 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的平均熱膨脹系數(shù)約為17.33×10-6℃-1，并基于該膨脹系數(shù)折算雷諾數(shù)水力直徑。

2.2 湍流模型

流體流動(dòng)模型由流體對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)直接決定，利用雷諾數(shù)判斷本文模擬工況對(duì)應(yīng)的流動(dòng)狀況。雷諾數(shù)是表示黏性流體流動(dòng)過(guò)程中流體所受慣性力與黏性力之比的無(wú)量綱數(shù)[10]，其計(jì)算公式為：

Re=ρvd/η

(3)

式中：v為流速；d為水力直徑。

采用物性參數(shù)計(jì)算得到本文模擬工況對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)超10 000，屬于高雷諾數(shù)旺盛湍流，故湍流模型選用適用于高雷諾數(shù)流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

2.3 邊界條件

本文使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX，其中k-ε湍流模型默認(rèn)采用scalable壁面函數(shù)，該壁面函數(shù)利用經(jīng)驗(yàn)公式求解近壁面黏性子層及過(guò)渡層相關(guān)物理量[11]，由于本文模擬工況處于高雷諾數(shù)范圍，近壁面處慣性力作用幾乎可忽略，因此k-ε湍流模型配合scalable壁面函數(shù)符合計(jì)算場(chǎng)景。

在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，采用網(wǎng)格一體化設(shè)置，自動(dòng)生成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為盡可能提高網(wǎng)格質(zhì)量，使得流動(dòng)過(guò)渡穩(wěn)定，在內(nèi)、外近壁面處各設(shè)置5層邊界層；迷宮密封結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度十分有限，忽略重力影響；快堆燃料組件均采用不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行精加工，由壁面粗糙度所引起的附加切應(yīng)力極小，故不考慮內(nèi)、外壁面粗糙度的影響。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 無(wú)關(guān)性分析

設(shè)計(jì)窄間距(0.82 mm)、中等間距(2.02 mm)、寬間距(3.22 mm)3種不同間距迷宮密封結(jié)構(gòu)，除間距外其他結(jié)構(gòu)尺寸均保持一致，如圖3所示。

a——寬間距；b——中等間距；c——窄間距圖3 不同間距迷宮密封結(jié)構(gòu)Fig.3 Labyrinth-seal structure with different spacing

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析Fig.4 Analysis of mesh sensibility

針對(duì)3種不同間距迷宮密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，邊界層網(wǎng)格參數(shù)保持一致，通過(guò)調(diào)整全局網(wǎng)格參數(shù)各得到6種不同規(guī)模的網(wǎng)格，在相同的輸入流量下，分析其進(jìn)出口壓降隨網(wǎng)格數(shù)量的變化趨勢(shì)。上述網(wǎng)格質(zhì)量均高于0.3，滿足計(jì)算精度要求。圖4示出網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。計(jì)算結(jié)果顯示，3種不同間距的迷宮密封結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)380萬(wàn)時(shí)，其變化幅度趨于平穩(wěn)，其中中等間距迷宮密封結(jié)構(gòu)在不同網(wǎng)格數(shù)量下進(jìn)出口壓降相對(duì)偏差最大，達(dá)到5.9%，其余兩種相對(duì)偏差均不超過(guò)3.2%，說(shuō)明進(jìn)出口壓降基本不隨網(wǎng)格數(shù)量的變化而變化。以380萬(wàn)左右網(wǎng)格作為基準(zhǔn)值，計(jì)算了壓降的相對(duì)偏差，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，3種不同間距的迷宮密封結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)380萬(wàn)時(shí)，進(jìn)出口壓降相對(duì)偏差最大不超過(guò)6%，認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響不大。結(jié)合計(jì)算精度與收斂速度，本文選擇380萬(wàn)左右網(wǎng)格作為工作網(wǎng)格。

圖5 壓降的相對(duì)偏差Fig.5 Relative deviation of pressure drop

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

本工作的目的在于研究間距對(duì)迷宮密封結(jié)構(gòu)性能的影響，首先通過(guò)計(jì)算確定在達(dá)到預(yù)定降壓效果時(shí)即密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓降為0.4 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的漏流量，進(jìn)而比較漏流量的相對(duì)大小定性研究間距對(duì)密封性能及工質(zhì)流動(dòng)特性的影響，故利用逼近法進(jìn)行多次計(jì)算最終得到滿足預(yù)定壓降要求的入口流量，結(jié)果列于表1。

由表1可知，在不同間距下，迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能與工質(zhì)流動(dòng)特性均呈現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)相同的降壓效果即密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)達(dá)到相同壓降時(shí)，寬間距迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)漏流量最小，中等間距次之，窄間距漏流量最大，因此相較而言，寬間距迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)密封性能強(qiáng)于另外兩種，且密封性能提高十分明顯，相較于窄間距，寬間距漏流量減少超過(guò)12%。同時(shí)間距對(duì)工質(zhì)流動(dòng)特性亦產(chǎn)生明顯影響，寬間距迷宮密封結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)最小漏流量的同時(shí)流域內(nèi)最大流速明顯小于另外兩種，降幅接近10%，對(duì)于緩解狹小空間內(nèi)漏流對(duì)快堆燃料組件外壁面的沖擊以及由此產(chǎn)生的流致振動(dòng)具有較好的改善效果。

表1 不同間距迷宮密封結(jié)構(gòu)漏流量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation result of labyrinth-seal structurewith different spacing

綜上，間距對(duì)迷宮密封結(jié)構(gòu)密封性能與工質(zhì)流動(dòng)特性均會(huì)產(chǎn)生顯著影響，且呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢(shì)，寬間距可在最小的漏流量下實(shí)現(xiàn)相同的降壓效果，同時(shí)流域內(nèi)流速峰值最小，即擴(kuò)大間距可有效提高迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能，同時(shí)對(duì)于流速控制亦產(chǎn)生積極影響。工程實(shí)踐中在空間尺寸允許的條件下可通過(guò)擴(kuò)大間距提高迷宮密封結(jié)構(gòu)密封性能、降低流動(dòng)沖擊、緩解結(jié)構(gòu)振動(dòng)。此外，若迷宮密封阻流結(jié)構(gòu)環(huán)數(shù)過(guò)多，還可采用減少環(huán)數(shù)、擴(kuò)大間距的方法實(shí)現(xiàn)相同的密封效果，進(jìn)而降低加工難度、節(jié)省空間。

3.3 壓力場(chǎng)分布

3種不同間距的迷宮密封結(jié)構(gòu)內(nèi)、外壁面壓力分布如圖6、7所示?？傮w而言，工質(zhì)沿流動(dòng)方向受到阻流結(jié)構(gòu)的層層阻擋，壓力逐步衰減，實(shí)現(xiàn)了降壓、密封的功能。但不同間距的迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的壓力分布存在較大差異，相較而言，寬間距壓力分布最為均勻，壓力梯度與變化速率也最小；中等間距次之；窄間距壓力變化最為集中，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度提出更高要求。此外，工質(zhì)通過(guò)窄間距迷宮密封結(jié)構(gòu)后，在密封結(jié)構(gòu)后方形成較大面積的低壓分布區(qū)，該區(qū)域壓力較低，但高于寬間距在相似位置所產(chǎn)生的低壓，由此說(shuō)明窄間距不僅造成較大的尺寸浪費(fèi)，同時(shí)所實(shí)現(xiàn)的降壓效果與密封性能也明顯弱于寬間距。為更好地反映流域內(nèi)壓力的衰減情況，3種迷宮密封結(jié)構(gòu)縱剖面壓力分布示于圖8。

a——寬間距；b——中等間距；c——窄間距圖6 迷宮密封結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面壓力分布Fig.6 Pressure distribution on inner wall surface of labyrinth-seal structure

a——寬間距；b——中等間距；c——窄間距圖7 迷宮密封結(jié)構(gòu)外壁面壓力分布Fig.7 Pressure distribution on outer wall surface of labyrinth-seal structure

由圖8可知，在工質(zhì)流域進(jìn)口壓力基本持平的情況下，寬間距迷宮密封結(jié)構(gòu)壓力分布最為均勻，通過(guò)阻流結(jié)構(gòu)后所達(dá)到的低壓小于其他間距密封結(jié)構(gòu)，由此說(shuō)明擴(kuò)大間距可有效提高迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能與降壓能力。

對(duì)不同間距迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行定性分析后，針對(duì)單環(huán)阻流結(jié)構(gòu)降壓能力進(jìn)行定量研究。分別選取各環(huán)阻流結(jié)構(gòu)凸出部分中心位置橫截面處的平均壓力，得到該密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的壓力衰減特征，結(jié)果列于表2。

a——寬間距；b——中等間距；c——窄間距圖8 縱剖面壓力分布Fig.8 Pressure distribution on axial longitudinal section

表2 迷宮密封結(jié)構(gòu)各環(huán)平均壓力Table 2 Average pressure of each ring of labyrinth-seal structure

由表2可見(jiàn)：間距越寬，對(duì)應(yīng)單環(huán)阻流結(jié)構(gòu)的降壓能力越強(qiáng)，寬間距單環(huán)壓降平均值相較于窄間距的提高了7%；窄間距11環(huán)阻流結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的總壓降為285 120 Pa，而寬間距11環(huán)阻流結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的總壓降為303 600 Pa，降壓能力提高6%。以上結(jié)果說(shuō)明擴(kuò)大間距可有效提高迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封能力。

3.4 速度場(chǎng)分布

3種迷宮密封結(jié)構(gòu)的縱剖面流場(chǎng)分布如圖9所示?？傮w而言，迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)于工質(zhì)流動(dòng)具有十分明顯的阻礙作用。由圖9可見(jiàn)：阻流結(jié)構(gòu)向內(nèi)凹進(jìn)的環(huán)腔是實(shí)現(xiàn)阻流的主要部位；阻流結(jié)構(gòu)最凸出部分與外套筒之間的狹小位置處產(chǎn)生最大流速，這主要是流體擠壓作用所導(dǎo)致。比較不同間距所產(chǎn)生的影響，寬間距更有利于降低流速，在實(shí)現(xiàn)相同的降壓效果時(shí)不僅漏流量最小，同時(shí)其整個(gè)流域內(nèi)流速最大值也最小，因此擴(kuò)大間距不僅有利于提高密封性能，同時(shí)對(duì)于控制流速、降低振動(dòng)也有積極作用。但3種迷宮密封結(jié)構(gòu)在貼近阻流結(jié)構(gòu)環(huán)腔內(nèi)壁面附近處流速均較低，工質(zhì)流速越慢，對(duì)流散熱量越少，因此若流速過(guò)慢，將不利于燃料組件外壁面冷卻，進(jìn)而造成近壁面處熱量堆積，對(duì)實(shí)現(xiàn)旁路流量冷卻燃料組件外壁面的預(yù)期功能產(chǎn)生消極影響，還有可能造成安全風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步研究阻流結(jié)構(gòu)內(nèi)部近壁面處流動(dòng)情況，3種迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)第8、9環(huán)處的流場(chǎng)分布如圖10所示。

a——寬間距；b——中等間距；c——窄間距圖9 縱剖面流場(chǎng)分布Fig.9 Flow field distribution on axial longitudinal section

a——寬間距；b——中等間距；c——窄間距圖10 縱剖面局部流場(chǎng)分布Fig.10 Partial flow field distribution on axial longitudinal section

由圖10可見(jiàn)，阻流結(jié)構(gòu)環(huán)腔內(nèi)近壁面處流場(chǎng)分布隨間距呈現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢(shì)。首先，隨間距的擴(kuò)大，環(huán)腔內(nèi)流速接近于0的低速區(qū)面積逐漸減??；其次，間距越大，近壁面處流速越高，寬間距阻流結(jié)構(gòu)近壁面處流速遠(yuǎn)高于其他間距密封結(jié)構(gòu)，窄間距近壁面處流動(dòng)情況最為惡劣；再次，窄間距阻流結(jié)構(gòu)環(huán)腔內(nèi)低速區(qū)集中于工質(zhì)流動(dòng)方向靠上部位，隨間距的擴(kuò)大，流速接近于0的低速區(qū)存在向工質(zhì)流動(dòng)反方向移動(dòng)的趨勢(shì)，近壁面處流動(dòng)狀況與換熱能力得到相應(yīng)改善。由此可知，擴(kuò)大間距不僅對(duì)于提高密封能力具有積極作用，同時(shí)還可有效改善阻流結(jié)構(gòu)內(nèi)部近壁面處流動(dòng)狀況，提高近壁面處流速，強(qiáng)化換熱有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料組件外壁面的冷卻。

3.5 密封機(jī)理的初步探討

圖11示出迷宮密封結(jié)構(gòu)的速度矢量分布。由圖11可見(jiàn)，工質(zhì)進(jìn)入阻流結(jié)構(gòu)環(huán)腔內(nèi)時(shí)，流通面積逐漸增大，流速降低，受摩擦力作用，在環(huán)腔內(nèi)部形成與工質(zhì)流動(dòng)方向相反的主渦，主渦充滿環(huán)腔，在靠近來(lái)流方向阻流結(jié)構(gòu)出口處出現(xiàn)少量回流。在主渦內(nèi)，由外到內(nèi)流速減小，存在較大速度梯度，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能、熱能，能量耗散明顯。此外回流區(qū)內(nèi)，流體流動(dòng)方向相反，與來(lái)流發(fā)生碰撞后，存在較大能量耗散形成速度接近于0的低速區(qū)，與低速區(qū)存在向工質(zhì)流動(dòng)反方向移動(dòng)趨勢(shì)的結(jié)論相吻合。隨間距的擴(kuò)大，流動(dòng)空間相應(yīng)增加，為主渦的旋轉(zhuǎn)發(fā)育提供了較為充足的空間，由圖11可知，a中主渦面積大、形狀完整、分布均勻，b中由于流動(dòng)空間小于a，因此主渦旋轉(zhuǎn)過(guò)程中直接撞擊壁面，未能形成完整漩渦。因此擴(kuò)大間距有利于主渦的發(fā)展，進(jìn)而有利于提高迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封能力。

a——寬間距；b——窄間距圖11 速度矢量分布Fig.11 Velocity vector distribution

3.6 間距限值研究

擴(kuò)大間距可有效提高迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能、有效控制流速，還可改善阻流結(jié)構(gòu)內(nèi)部近壁面處的流動(dòng)狀況、強(qiáng)化換熱。但受鈉冷快堆內(nèi)部整體尺寸限制，并不能一味通過(guò)擴(kuò)大間距提高密封性能，當(dāng)間距超過(guò)某一限值時(shí)，其對(duì)于密封性能的提高趨于平緩。通過(guò)比較在相同漏流量下不同間距密封結(jié)構(gòu)達(dá)到的壓降可衡量其密封性能，密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓降越大說(shuō)明其降壓能力越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)密封性能也越強(qiáng)。共設(shè)計(jì)8種不同間距的迷宮密封結(jié)構(gòu)，除阻流結(jié)構(gòu)間距外其他尺寸均保持一致，在入口流量為2.9 kg/s時(shí)其密封性能列于表3。表3中以間距為0.82 mm的迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的壓降為參考值，計(jì)算密封性能提高比例。

表3 密封性能計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of sealing performance

由表3可知，當(dāng)迷宮密封結(jié)構(gòu)間距超過(guò)3.02 mm時(shí)，壓降變化趨于平緩，相對(duì)變化在2%以內(nèi)，說(shuō)明當(dāng)間距超過(guò)限值3.02 mm時(shí)，擴(kuò)大間距對(duì)提高密封性能已十分有限。因此，間距約為3.02 mm時(shí)迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能最佳，超過(guò)該限值后，幾乎已無(wú)法通過(guò)擴(kuò)大間距繼續(xù)提高密封能力，在工程實(shí)際中需綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景尺寸、密封需求等因素合理選擇間距。

3.7 偏心影響研究

快堆燃料組件在堆內(nèi)通過(guò)壓緊構(gòu)件保證對(duì)中與穩(wěn)定，迷宮密封結(jié)構(gòu)直接加工在組件外壁上，因此不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但由于安裝誤差或堆內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行后，冷卻劑沖刷產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致燃料組件發(fā)生小范圍的位置偏移，進(jìn)而導(dǎo)致迷宮密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，從而影響密封性能。本文引入無(wú)量綱偏心度表示偏心的程度：

X=Δd/a

(4)

式中：X為偏心度，X=0表示迷宮密封結(jié)構(gòu)完全對(duì)中，X=1表示迷宮密封結(jié)構(gòu)與外部燃料組件套筒發(fā)生直接接觸；Δd為偏心距，本文取為迷宮密封結(jié)構(gòu)與外部燃料組件管腳套筒同一橫截面處圓心間的距離；a為特征長(zhǎng)度，即為迷宮密封結(jié)構(gòu)與外部燃料組件管腳套筒間隙的寬度，本文取為1 mm。

本文設(shè)定快堆處于正常工作情形下，迷宮密封結(jié)構(gòu)發(fā)生微小偏移且不與外部套筒直接接觸、無(wú)結(jié)構(gòu)損傷，故將X=0.8設(shè)定為偏心度上限。針對(duì)間距為3.02 mm的迷宮密封結(jié)構(gòu)，在相同漏流量下研究偏心度對(duì)密封性能的影響，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可見(jiàn)，隨偏心度的增大，迷宮密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓降逐漸減小，流域內(nèi)最大流速明顯增加。相較于完全對(duì)中的情形(X=0)，偏心所導(dǎo)致的壓降最大降幅為8.51%、流域內(nèi)最大流速的最大增幅為336.66%。由此說(shuō)明，偏心現(xiàn)象對(duì)迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能產(chǎn)生不利影響，同時(shí)流域內(nèi)最大流速的增加使得燃料組件振動(dòng)加劇。圖13示出不同偏心度下迷宮密封結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布。

由圖13可見(jiàn)，偏心現(xiàn)象導(dǎo)致迷宮密封結(jié)構(gòu)流域內(nèi)流速分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致壓力分布不均勻，且上述不均勻現(xiàn)象隨偏心度的增大有擴(kuò)大的趨勢(shì)，由其所導(dǎo)致的有害振動(dòng)也隨之加劇，在偏心度較高的情形下，局部應(yīng)力集中可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。

圖12 偏心度對(duì)密封性能的影響Fig.12 Effect of eccentricity on sealing performance

a——X=10%；b——X=50%；c——X=80%圖13 不同偏心度下迷宮密封結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布Fig.13 Flow field distribution of labyrinth-seal structure with different eccentricities

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同間距的迷宮密封結(jié)構(gòu)的漏流量計(jì)算、壓力及流場(chǎng)分布分析，比較研究了間距對(duì)密封性能、流動(dòng)特性的影響，得到如下結(jié)論：

1) 迷宮密封結(jié)構(gòu)環(huán)腔內(nèi)的漩渦與回流所引起的能量耗散是壓力衰減的主要原因，擴(kuò)大間距使得工質(zhì)流動(dòng)空間增大，為主渦的旋轉(zhuǎn)發(fā)育提供了較為充足的空間，進(jìn)而有利于提高迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能，還可提高阻流結(jié)構(gòu)內(nèi)部近壁面處流速，加強(qiáng)對(duì)流換熱，強(qiáng)化外壁面冷卻；

2) 當(dāng)間距超過(guò)某一限值時(shí)，密封能力的提高趨于平緩，因此對(duì)于迷宮密封結(jié)構(gòu)而言存在最佳間距，本文模型對(duì)應(yīng)的最佳間距為3.02 mm；

3) 由于安裝誤差或堆內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行中冷卻劑沖刷產(chǎn)生的振動(dòng)引起燃料組件發(fā)生小范圍位置偏移，該偏心現(xiàn)象導(dǎo)致迷宮密封結(jié)構(gòu)流域內(nèi)速度、壓力分布不均勻，且上述不均勻現(xiàn)象隨偏心度的增大有擴(kuò)大的趨勢(shì)，不僅對(duì)密封性能產(chǎn)生不利影響，還使得燃料組件振動(dòng)加劇，局部應(yīng)力集中甚至可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。

本文實(shí)現(xiàn)了多間距、多齒數(shù)、直角梯形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，為工程實(shí)踐及快堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化改良提供了參考。