汽封對(duì)汽輪機(jī)通流氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究

申連洋

（海裝沈陽(yáng)局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，哈爾濱150046）

0 引 言

汽封結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)的動(dòng)靜交接處，汽封的主要作用是防止軸向漏氣。迷宮型汽封為傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)，一般由高低齒排列和葉輪、圍帶凸臺(tái)形成封閉迷宮通道。迷宮型汽封結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低，是汽輪機(jī)中常用的密封裝置，其密封原理是：密封齒與轉(zhuǎn)子間形成一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，當(dāng)泄漏流體流經(jīng)節(jié)流間隙時(shí)，部分壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，該速度能隨即在膨脹空腔中由于湍流漩渦耗散為熱能而不能恢復(fù)為壓力能，這樣使通過(guò)的流體產(chǎn)生節(jié)流與熱力學(xué)效應(yīng)，泄漏流體的壓力逐漸降低而達(dá)到密封效果[1]。在迷宮汽封長(zhǎng)期使用后，汽封徑向間隙會(huì)增加，而且由于轉(zhuǎn)子偏心或振動(dòng)的原因，迷宮汽封齒會(huì)與轉(zhuǎn)子接觸并產(chǎn)生摩擦，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微裂紋而有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)。蜂窩汽封是目前比較先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)，由許多蜂窩孔組成。蜂窩型汽封是一種可磨耗的先進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，由高溫合金密封與背板組成，通過(guò)高溫真空釬焊連接，主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和其他機(jī)械的軸封、葉頂間隙。蜂窩型汽封具有無(wú)數(shù)個(gè)六邊形的蜂窩孔狀的芯格結(jié)構(gòu)，由于一般蜂窩型汽封的材料質(zhì)地較軟，具有較好的可磨性[2]。

國(guó)內(nèi)高校及汽輪機(jī)制造商已對(duì)汽輪機(jī)汽封展開(kāi)了大量學(xué)術(shù)和工程研究。西安交通大學(xué)謝永慧等[3]基于三維黏性可壓縮N-S方程對(duì)某汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行了全三維數(shù)值模擬，考慮了有汽封條件下的不同進(jìn)汽度的葉片通流性能。華北電力大學(xué)韓中合等[4]利用數(shù)值模擬的方法研究了汽輪機(jī)光軸直齒與斜齒兩種結(jié)構(gòu)的迷宮式汽封內(nèi)部流場(chǎng)，得出了汽封內(nèi)部流動(dòng)特性和漏汽量隨相對(duì)齒間距和齒傾斜角度的變化規(guī)律。在汽封段軸向尺寸一定和相同的流動(dòng)參數(shù)下，齒數(shù)和傾角存在最佳范圍，可最大程度地降低迷宮式汽封的漏汽量。上海電氣楊建道等[5]對(duì)某600 MW改造機(jī)組的末三級(jí)葉片優(yōu)選中，針對(duì)兩種汽封進(jìn)行了CFD分析，設(shè)計(jì)了與葉片相匹配的對(duì)齒迷宮式汽封。東方汽輪機(jī)田朝陽(yáng)等[6]對(duì)刷式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，刷式汽封漏氣量較小，性能較好，但對(duì)制造加工工藝要求較高。

本文主要采用數(shù)值計(jì)算的方法，計(jì)算精度要求較高，因此采用NUMECA軟件非常合適，可以充分發(fā)揮其內(nèi)存用量少、計(jì)算速度快、求解精度高的優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)研究?jī)煞N形式汽封（蜂窩式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封）在不同徑向間隙條件下運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能，主要考察氣動(dòng)效率、軸向推力和泄漏量，以期為后續(xù)的汽封設(shè)計(jì)選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算分析

本次計(jì)算只考慮葉頂汽封對(duì)通流性能的影響，所以在建模時(shí)只有單級(jí)葉片和動(dòng)葉葉頂汽封。圖1為迷宮汽封模型，在計(jì)算過(guò)程中，分別改變了汽封的徑向間隙，從0.2、0.4 mm遞增到2.0 mm。圖2為蜂窩汽封模型，其孔深為6 mm，孔寬為6 mm，分別改變徑向間隙，從0.2 mm、0.4 mm遞增到1.2 mm。

圖1 迷宮汽封模型

圖2 蜂窩汽封模型

本文采用NUMECA的AutoGrid生成網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，網(wǎng)格數(shù)量控制在300萬(wàn)左右。數(shù)值計(jì)算是在NUMECA下的Fine/Turbo中進(jìn)行的。計(jì)算過(guò)程中使用Condensable Flow，通過(guò)對(duì)水蒸氣插值，能夠準(zhǔn)確地求解出水蒸氣的熱力參數(shù)。數(shù)值計(jì)算邊界條件給定如下：進(jìn)口總壓2.7503 MPa、總溫775.87 K，出口靜壓1.7941 MPa。工作轉(zhuǎn)速3000 r/min。在NUMECA求解器中設(shè)定CFL數(shù)為1，其余保持默認(rèn)不變。本研究的所有計(jì)算均采用Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型。S-A模型目前已在葉輪機(jī)計(jì)算中獲得廣泛應(yīng)用。對(duì)于本研究涉及的計(jì)算，適宜采用S-A模型。

1.1 效率分析

圖3所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的效率隨徑向間隙變化曲線(xiàn)。由圖3可以看出，隨著徑向間隙從0.2 mm增加到2.0 mm，迷宮汽封和蜂窩汽封的通流效率都在降低。而且在小間隙范圍內(nèi)（0.2～0.6 mm），蜂窩汽封的效率比較高，隨著徑向間隙增大（0.6～2.0 mm），迷宮汽封逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以將蜂窩汽封間隙尺寸設(shè)置得非常小，以充分利用其較好的耐磨性。

1.2 軸向推力分析

圖4所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的軸向推力隨徑向間隙變化曲線(xiàn)。由圖4可以看到，隨著徑向間隙的增加，動(dòng)葉片受到的軸向推力逐漸減小。當(dāng)迷宮汽封間隙從0.2 mm增加到2.0 mm時(shí)，軸向推力從26 kN降低至約24 kN；蜂窩汽封間隙從0.2 mm增加到1.2 mm時(shí)，軸向推力從26 kN降低至約235 kN。這主要是因?yàn)殚g隙增大后，氣流在葉頂汽封中有了更大的膨脹空間，減小了氣流對(duì)圍帶凸臺(tái)的作用力。而且通流面積增加后，作用于動(dòng)葉片的氣流減少，因此造成動(dòng)葉片受到的軸向推力減小。另外，同樣在1.2 mm 的間 隙下，蜂窩 汽封 條件 下葉 片受 到的 軸向 推力 更小。因此應(yīng)用蜂窩汽封可以更大幅度地降低葉片的軸向推力。

圖3 效率隨徑向間隙變化曲線(xiàn)

圖4 軸向推力曲線(xiàn)

1.3 流量分析

圖5所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的泄漏量隨徑向間隙變化曲線(xiàn)。由圖5可見(jiàn)，徑向間隙愈大，泄漏量愈大。這是因?yàn)殚g隙增大后，整級(jí)的通流面積會(huì)相應(yīng)增加，因此汽封泄漏量增加。從迷宮汽封和蜂窩汽封的變化曲線(xiàn)可以看出，在小間隙下（0.2～0.7 mm），蜂窩汽封的泄漏量比迷宮汽封小，隨著間隙增大（0.7～2.0 mm），兩種汽封的泄漏量都會(huì)增加，并且蜂窩式汽封梯度高于迷宮式汽封。這是因?yàn)閮煞N汽封的密封原理不同：迷宮汽封通過(guò)汽封齒和凸臺(tái)形成的空腔使氣流在其中膨脹，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)減小泄漏；蜂窩汽封則通過(guò)圍帶與蜂窩孔間的氣膜壓力來(lái)阻止流體泄漏。當(dāng)增大間隙后，氣膜壓力會(huì)急速下降，從而增大了泄漏損失。因此蜂窩汽封適合小間隙。

圖6所示為動(dòng)葉流量隨徑向間隙變化曲線(xiàn)，由圖可以看到，間隙由0.2 mm增加到2.0 mm，迷宮汽封和蜂窩汽封情況下通過(guò)動(dòng)葉的蒸汽流量逐漸減小。這是因?yàn)殡S著間隙增大，通過(guò)汽封的流量增加，減少了動(dòng)葉流量，使做功減少。當(dāng)間隙小于0.8 mm時(shí)，蜂窩汽封動(dòng)葉的流量比迷宮汽封大，當(dāng)間隙大于0.8 mm時(shí)，蜂窩汽封動(dòng)葉的流量比迷宮汽封小。即小間隙下，蜂窩汽封做功量大。

2 結(jié) 論

綜上，本文通過(guò)全三維CFD數(shù)值計(jì)算的方法，研究了兩種形式汽封（蜂窩式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封）在不同徑向間隙條件下運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能（主要包括氣動(dòng)效率、軸向推力和泄漏量），以期為后續(xù)的汽封設(shè)計(jì)選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)?；谇笆龅挠?jì)算結(jié)果對(duì)比和分析，本文得到如下結(jié)論：1）隨著汽封徑向間隙尺寸從0.2 mm增加到2.0 mm，在蜂窩汽封和迷宮汽封兩種條件下，參數(shù)變化的大體趨勢(shì)是一致的：級(jí)效率逐漸降低，軸向推力逐漸減小，葉頂汽封泄漏量逐漸增加，動(dòng)葉流量降低。2）在小間隙尺寸范圍內(nèi)，蜂窩汽封的氣動(dòng)性能優(yōu)于迷宮汽封，隨著間隙尺寸的增加，迷宮汽封逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，可根據(jù)具體情況選擇適用的汽封形式。

圖5 汽封泄漏量曲線(xiàn)

圖6 動(dòng)葉流量隨間隙變化曲線(xiàn)