離心壓縮機(jī)平衡盤(pán)密封反吹氣防旋結(jié)構(gòu)氣動(dòng)數(shù)值分析

王 姍 吳 博 王娟麗 王 松 靳亞峰 趙海峰 覃小文

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

1 防旋結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理

防旋結(jié)構(gòu)的具體作用機(jī)理為：反充氣孔氣流由排氣室高壓流體流入多個(gè)反充氣孔1，反充氣孔1中的氣流流入整圈的摻混室1，摻混室1氣流流入多個(gè)反充氣孔2，反充氣孔2的充氣方向與旋轉(zhuǎn)方向相反。反充氣孔2中的氣流流入摻混室2中與平衡盤(pán)密封漏氣氣體摻混，使平衡盤(pán)密封間隙內(nèi)氣流周向速度降低，降低氣流激振。反充氣孔氣流流動(dòng)見(jiàn)圖1。

圖1 反充氣孔氣流流動(dòng)示意圖

研究表明，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣流的一部分在密封齒內(nèi)會(huì)改變流向，密封內(nèi)的氣流紊亂，降低密封內(nèi)的壓力脈動(dòng)，減弱激振力[1]，減小密封齒內(nèi)氣流的周向速度是降低氣流激振的一種常用手段，將與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的氣流引入平衡盤(pán)密封內(nèi)，將會(huì)打斷氣流對(duì)主軸的交叉耦合影響，減小氣流激振力[2-3]。

目前有很多相關(guān)文獻(xiàn)研究了反吹氣孔對(duì)降低氣流激振的情況，但是沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)方法，本文將給出數(shù)值計(jì)算方法和反吹氣孔2的設(shè)計(jì)方法。

圖2 計(jì)算模型示意圖

2 數(shù)值計(jì)算方法

選取某管線離心壓縮機(jī)的末級(jí)進(jìn)行計(jì)算，圖2為計(jì)算模型示意圖。無(wú)防旋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型由單只離心葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、排氣蝸殼、平衡盤(pán)密封組成，見(jiàn)圖2(a)。帶防旋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型由單只離心葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、排氣蝸殼、平衡盤(pán)密封、防旋結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖2(b)。

葉片部分使用Autogrid5進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，排氣蝸殼、密封和防旋結(jié)構(gòu)使用Workbench進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。計(jì)算軟件使用ANSYS軟件，湍流模型為SST模型，邊界條件為進(jìn)口總溫50℃，進(jìn)口總壓10.2 MPa，蝸殼出口1流量242 kgs，平衡盤(pán)密封出口2靜壓7.54 MPa，旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速6000 rmin，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。計(jì)算工質(zhì)為天然氣，具體成分見(jiàn)表1。

使用完整的帶防旋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型進(jìn)行分析，得出摻混室1的進(jìn)口邊界條件，考慮到平衡盤(pán)直徑和密封間隙均不變，排氣蝸殼引出的氣流壓降主要在密封內(nèi)。認(rèn)為當(dāng)反吹氣孔2變化時(shí)，由排氣蝸殼至摻混室1進(jìn)口的壓損不變。使用圖2(c)的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行相關(guān)分析，簡(jiǎn)化模型由單只離心葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、排氣蝸殼、平衡盤(pán)密封+摻混室1、反吹氣孔2組成。簡(jiǎn)化計(jì)算模型的邊界條件見(jiàn)表2。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

充氣孔設(shè)計(jì)的合理性非常重要，充氣孔設(shè)計(jì)不合理時(shí)，可能會(huì)引起反效果。與充氣孔出口周向速度相關(guān)的三個(gè)主要變量為：孔半徑r；軸向夾角α；周向夾角θ。預(yù)旋比為密封齒內(nèi)的圓周速度與轉(zhuǎn)子圓周速度比。在引氣量一定，要達(dá)到一定的預(yù)旋比，反吹氣孔直徑、軸向夾角α和周向夾角θ的大小也需要在一定的范圍內(nèi)。反吹氣孔2的出口圓周速度為：

3.1 無(wú)防旋結(jié)構(gòu)CFD數(shù)值計(jì)算

對(duì)于無(wú)反吹氣孔的結(jié)構(gòu)，氣體流動(dòng)方向?yàn)樽悦芊恺X左側(cè)流向右側(cè)，密封齒內(nèi)的圓周速度左側(cè)最大，右側(cè)最小。從圖3可以看出，左右兩側(cè)密封與摻混室2相接的間隙圓周速度分別為55 ms和60 ms，對(duì)應(yīng)的預(yù)旋比分別為0.48和0.53。整個(gè)密封齒范圍內(nèi)，周向速度范圍基本在50～70 ms范圍內(nèi)，預(yù)旋比范圍在0.43～0.62之間。

3.2 反吹氣孔軸向夾角α

反吹氣孔子午方向左偏和右偏如圖4所示，以進(jìn)口至出口軸向?yàn)檎较?，兩個(gè)軸向夾角α分別為50°和140°。

從表3可以看出，軸向夾角的變化對(duì)密封內(nèi)左側(cè)和右側(cè)的漏氣比例和效率基本無(wú)影響，僅對(duì)密封間隙內(nèi)的速度分布有影響。

從圖5和圖6可以看出：

(1)從吹氣孔流出的流體，一部分經(jīng)左側(cè)密封齒向左流入葉輪，一部分經(jīng)右側(cè)密封齒向右流出。沿著流動(dòng)方向，密封內(nèi)周向速度逐漸增大。

(2)加反吹氣孔后，距離吹氣孔較遠(yuǎn)的密封齒內(nèi)最大圓周速度50 ms，均在密封齒的最左側(cè)和最右側(cè)位置，不帶防旋結(jié)構(gòu)最左側(cè)圓周速度為70 ms，最右側(cè)圓周速度為50 ms。說(shuō)明吹氣孔的存在有效地降低了離充氣孔較近的密封間隙內(nèi)周向流動(dòng)速度，離充氣孔距離較遠(yuǎn)的位置受到吹氣孔影響較小。

表1 工質(zhì)組分表

表2 簡(jiǎn)化計(jì)算模型邊界條件

圖3 無(wú)防旋結(jié)構(gòu)密封間隙內(nèi)圓周速度和壓力分布云圖

圖4 反吹氣孔子午方向偏轉(zhuǎn)示意圖

表3 不同軸向角度計(jì)算結(jié)果

(3)加防旋結(jié)構(gòu)后預(yù)旋比為0～0.44，不加防旋結(jié)構(gòu)預(yù)旋比為0.43～0.62，加防旋結(jié)構(gòu)后整體預(yù)旋比下降。

(4)無(wú)防旋結(jié)構(gòu)時(shí)，右側(cè)齒圓周速度較左側(cè)圓周速度小。由于距離吹氣孔較遠(yuǎn)的地方密封齒內(nèi)圓周速度基本無(wú)變化，吹氣孔左偏時(shí)，能有效地將左側(cè)齒的圓周速度降低得更多。故推薦使用左偏，即軸向夾角為50°的情況。

圖5 速度矢量和流線圖

圖6 不同軸向角度下密封間隙內(nèi)周向速度云圖

圖7 不同吹氣孔直徑下密封間隙內(nèi)周向速度云圖

表4 不同吹氣孔直徑計(jì)算結(jié)果

3.3 反吹氣孔半徑r的影響

分別對(duì)反吹氣孔直徑為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm進(jìn)行CFD計(jì)算。不同吹氣孔直徑下密封間隙內(nèi)周向速度云圖見(jiàn)圖7。不同吹氣孔直徑下進(jìn)出氣孔總壓見(jiàn)表4。

充氣孔直徑為5 mm時(shí)，摻混室1和摻混室2之間的充氣孔，充當(dāng)節(jié)流的作用，流速較大，摻混室2中有很大一塊區(qū)域圓周速度與旋轉(zhuǎn)方向相反，對(duì)密封間隙內(nèi)圓周流速影響較小，對(duì)左側(cè)齒密封內(nèi)圓周速度影響較大。充氣孔中壓損較大，不建議使用。

充氣孔直徑為20 mm時(shí)，充氣孔直徑與摻混室軸向長(zhǎng)度相差不大，從充氣孔流出的氣體與摻混室2中的氣體摻混面更大，但是充氣孔出口圓周速度較小，會(huì)使部分摻混室2轉(zhuǎn)子附近區(qū)域圓周速度很大，故不建議使用。

從以上可以得出結(jié)論：充氣孔的大小在10～15 mm之間，比較合適，即充氣孔直徑存在一個(gè)合適的范圍，直徑太大或者直徑太小都不合適。

3.4 反吹氣孔周向夾角θ的影響

對(duì)反吹氣孔直徑為10 mm，軸向夾角為50°時(shí)，對(duì)周向夾角θ進(jìn)行研究。如圖8所示，反吹氣孔周向夾角最大可到90°，在平衡盤(pán)尺寸和摻混室1尺寸固定的情況下，最小夾角為孔與平衡盤(pán)相接的位置相切。最小夾角為30°左右。故對(duì)30°、45°、60°、90°分別進(jìn)行研究。

圖8 反吹氣孔與周向夾角最大(90°)和最小夾角示意圖

圖9 不同周向角度下密封間隙內(nèi)周向速度云圖

從圖9看出，隨著反吹氣孔與周向夾角的減小，充氣孔2在平衡盤(pán)內(nèi)的投影面積越大，局部圓周速度越小，密封間隙內(nèi)圓周速度分布更均勻。

周向角度90°時(shí)，相當(dāng)于氣流從反吹氣孔吹出后只有軸向分速度，沒(méi)有周向分速度，但仍會(huì)改變密封內(nèi)的周向速度分布，但對(duì)密封內(nèi)被轉(zhuǎn)子帶動(dòng)氣流的周向速度減弱較低。

綜上，在加工允許的條件下，推薦使用周向角度較小的情況，會(huì)使密封內(nèi)周向速度分布更均勻。

4 結(jié)論

(1)不帶反吹氣孔結(jié)構(gòu)，平衡盤(pán)密封(與摻混室相接部位)左側(cè)和右側(cè)第一個(gè)齒的預(yù)旋比分別為0.48、0.53，整個(gè)密封齒預(yù)旋比范圍基本在0.43～0.62之間。

(2)不帶反吹氣孔結(jié)構(gòu)，沿流動(dòng)方向密封齒內(nèi)壓力逐漸降低，圓周速度逐漸增大。

(3)對(duì)平衡盤(pán)密封結(jié)構(gòu)，加反吹氣孔，可有效地將密封齒內(nèi)的氣流吹散，密封齒預(yù)旋比范圍降低到0～0.44，有效降低氣流激振。

(4)吹氣孔的存在有效地降低了距離充氣孔較近的密封間隙內(nèi)周向流動(dòng)的速度，與充氣孔距離較遠(yuǎn)的位置受到吹氣孔影響較小。

(5)對(duì)于反吹氣孔，軸向左偏，從機(jī)組布置和氣動(dòng)效果上都會(huì)更好。

(6)充氣孔有節(jié)流作用，充氣孔直徑大小在一定范圍內(nèi)，充氣效果較好，充氣孔直徑過(guò)小，會(huì)引起較大的壓損，充氣孔直徑過(guò)大，充氣孔出口氣流周向速度過(guò)小，不足以平衡原轉(zhuǎn)子帶動(dòng)的轉(zhuǎn)子附近氣流的周向速度。故充氣孔太大或太小都不合理。

(7)加工條件允許的情況下，周向速度可取最小值，使密封內(nèi)氣流周向速度更均勻。