新型葉頂汽封的數(shù)值計(jì)算與分析

王娟麗錢禹龍王姍,鐘主海,侯俊鵬

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

1 前言

近年來(lái)，隨著節(jié)能環(huán)保需求的日益增長(zhǎng)，改進(jìn)火力發(fā)電廠性能迫在眉睫，而減少汽輪機(jī)漏氣量是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。已有的汽封結(jié)構(gòu)有迷宮式，蜂窩式，刷式等[1]。迷宮式已經(jīng)廣泛運(yùn)用于汽輪機(jī)葉頂汽封，隔板汽封等。在傳統(tǒng)的汽封理論里，漏汽比例與級(jí)效率損失成正比。漏氣量的大小主要是由汽封的間隙、有效齒數(shù)、腔室結(jié)構(gòu)決定的。然而，在汽輪機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)中，汽封的間隙和齒數(shù)往往受到徑向脹差和軸向脹差等約束條件而無(wú)法優(yōu)化，尤其是大功率機(jī)組低壓缸，因而，減小漏氣量最有效的方法就是優(yōu)化汽封腔室結(jié)構(gòu)。例如，目前廣泛運(yùn)用于汽輪機(jī)葉頂、隔板的迷宮式汽封，其原理就是氣流通過(guò)節(jié)流膨脹，在汽封腔室內(nèi)形成漩渦，流體域被腔室結(jié)構(gòu)所控制，通過(guò)腔室結(jié)構(gòu)增強(qiáng)漩渦并使得汽封間隙及齒數(shù)相同的情況下漏氣量大大降低。

然而對(duì)于軸向脹差較大的汽輪機(jī)，例如大功率機(jī)組低壓缸，離推力軸承距離較遠(yuǎn)，其在啟停過(guò)程中軸向脹差大于葉頂圍帶寬度，假如還使用迷宮式汽封，汽封齒和動(dòng)葉圍帶將發(fā)生碰摩，從而使汽封齒失效或者損傷動(dòng)葉頂部圍帶，造成運(yùn)行事故。因此，大型汽輪機(jī)低壓缸傳統(tǒng)設(shè)計(jì)均使用平齒汽封結(jié)構(gòu)，GE公司等近年來(lái)則在低壓缸使用了游標(biāo)汽封齒結(jié)構(gòu)，即在動(dòng)葉頂部圍帶上加工出類似于汽封齒的凸臺(tái)，和安裝在隔板處的汽封共同組成一個(gè)矩形汽封腔室。這種汽封型式不受軸向脹差的限制，與傳統(tǒng)平齒相比，可以增加泄漏汽流的膨脹空間，一定程度上可以增強(qiáng)泄漏氣流漩渦強(qiáng)度，減小漏氣損失。本文還計(jì)算分析了一種新型的汽封結(jié)構(gòu)，即圓形腔室游標(biāo)齒汽封結(jié)構(gòu)，其將傳統(tǒng)的游標(biāo)汽封結(jié)構(gòu)的矩形汽封腔室設(shè)計(jì)為圓形，通過(guò)控制和利用腔室漩渦動(dòng)力來(lái)減小漏氣。

國(guó)內(nèi)外已廣泛使用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)汽封進(jìn)行研究[2～5]，本文采用CFX軟件，分析了平齒、游標(biāo)齒以及圓形腔室游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)的動(dòng)葉葉頂汽封對(duì)某機(jī)組高壓第1級(jí)性能的影響。

2 數(shù)值方法、模型及網(wǎng)格

2.1 數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算使用商用軟件ANSYS CFX 13.0；采用SST湍流模型；工質(zhì)采用stream5；靜葉和動(dòng)葉部分采用AutoGrid5生成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；葉頂汽封采用Workbench生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，使用多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算。

2.2 模型及網(wǎng)格

2.2.1 葉頂汽封結(jié)構(gòu)

本文研究3種不同葉頂汽封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。3種汽封結(jié)構(gòu)齒間隙保持0.6 mm不變，汽封齒數(shù)不變。圖1（a）和（b）的兩對(duì)齒之間形成類似矩形的腔室，圖1（c）兩對(duì)齒之間是圓形腔室，這樣改善了腔室結(jié)構(gòu)，使得流體形成更有效的漩渦，降低漏氣，提高效率。

圖1 不同汽封結(jié)構(gòu)

2.2.2 計(jì)算模型網(wǎng)格

純通流網(wǎng)格由AutoGrid5生成，使用HOH拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。靜葉部分網(wǎng)格數(shù)為40萬(wàn)，動(dòng)葉部分網(wǎng)格數(shù)為45萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)約85萬(wàn)。汽封網(wǎng)格如圖3所示，汽封網(wǎng)格數(shù)32萬(wàn)左右。整個(gè)模型網(wǎng)格見如4所示，其整體網(wǎng)格數(shù)約117萬(wàn)。

圖2 高壓第1級(jí)純通流網(wǎng)格

圖3 高壓缸第1級(jí)葉頂汽封網(wǎng)格

圖4 高壓缸第1級(jí)整體計(jì)算網(wǎng)格

2.2.3 計(jì)算公式

總總效率：

總靜效率：

式中為入口總焓，H2為出口靜焓，H2S為出口等熵焓，為出口總焓。

2.3 計(jì)算邊界條件

在CFX計(jì)算中，轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，進(jìn)口邊界條件取為總壓、總溫，出口取為靜壓，高壓缸第1級(jí)邊界條件見表1。模型進(jìn)出口邊界的位置如圖5所示。

表1 高壓缸第1級(jí)計(jì)算邊界條件

圖5 入口和出口邊界的位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 模型計(jì)算結(jié)果

表2為不同汽封結(jié)構(gòu)對(duì)高壓第1級(jí)性能的影響，可以看出：在相同邊界條件下，高壓第1級(jí)純通流計(jì)算比平齒汽封結(jié)構(gòu)計(jì)算的總效率與靜效率都高，總效率提高0.73%，即汽封漏氣使機(jī)組效率降低。因此優(yōu)化汽封結(jié)構(gòu)來(lái)降低漏氣損失。

表2 不同汽封結(jié)構(gòu)對(duì)高壓第1級(jí)性能的影響

傳統(tǒng)游標(biāo)齒汽封結(jié)構(gòu)與平齒汽封結(jié)構(gòu)比較，游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)使得模型總效率增高0.19%，漏氣比略有降低。圓形游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)比較，可以看出：圓形游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)使得模型總效率提高了0.03%，比平齒汽封結(jié)構(gòu)總效率提高0.22%。不同汽封結(jié)構(gòu)對(duì)總效率影響和汽封漏氣比的對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同汽封結(jié)構(gòu)對(duì)效率和漏氣比的對(duì)比圖

3.2 結(jié)果分析與討論

圖7是3種汽封結(jié)構(gòu)及純通流模型的動(dòng)葉及對(duì)應(yīng)葉頂汽封的流線圖。汽封中的氣流在齒縫中射流區(qū)、在兩齒之間的空腔中形成紊流區(qū)。

圖7 帶葉頂汽封結(jié)構(gòu)動(dòng)葉部分流線圖

傳統(tǒng)的游標(biāo)汽封結(jié)構(gòu)的矩形汽封腔室設(shè)計(jì)為圓形，通過(guò)控制和利用腔室漩渦動(dòng)力來(lái)減小漏氣，其幾何特征有：

（1）重復(fù)的腔室；

（2）游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)；

（3）圓形腔室。

圓形腔室游標(biāo)齒汽封利用這些特征，在汽封兩對(duì)齒之間腔室內(nèi)產(chǎn)生有效的漩渦結(jié)構(gòu)，如圖8（a）所示，每個(gè)汽封腔室內(nèi)都有上下兩個(gè)較大的漩渦成對(duì)出現(xiàn)，并且這些成對(duì)的漩渦結(jié)構(gòu)在其他腔室中完全重現(xiàn)。

腔室中的漩渦結(jié)構(gòu)使得汽封間隙上游壓力降低，汽封間隙前后壓差減小從而使得漏氣量減少。漩渦尺寸越小，汽封間隙上游壓力降低的效應(yīng)越大，因?yàn)殇鰷u尺寸越小氣流速度越大，而氣流速度越大漩渦壓力越低?；谄獾倪@個(gè)原理，新型結(jié)構(gòu)圓形游標(biāo)齒汽封結(jié)構(gòu)采用圓形腔室，與矩形腔室相比，其流體阻力減小，從而形成更強(qiáng)的漩渦，使得漏氣減小的效果增強(qiáng)。在矩形腔室中，由于尖角的存在形成小型漩渦，從而耗散了部分氣流動(dòng)能。因此，這些區(qū)域作為流動(dòng)阻力而消弱了漩渦結(jié)構(gòu)。圓形腔室沒有尖角，氣流的流動(dòng)阻力比矩形腔室的小，漩渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也增強(qiáng)，從而使得漏氣量減小。

圖8是圓形腔室游標(biāo)齒汽封結(jié)構(gòu)的壓力和氣流速度云圖。

圖8 圓形腔室游標(biāo)齒汽封結(jié)構(gòu)氣流的壓力和速度云圖

4 結(jié)論

本文采用全三維分析軟件CFX對(duì)某機(jī)組高壓缸第1級(jí)主流通道及葉頂汽封流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果及汽封的流線圖分析得到如下結(jié)論：

（1）汽封漏氣使得模型效率降低，模型總效率降低了0.73%。

（2）游標(biāo)齒汽封結(jié)構(gòu)與平齒汽封結(jié)構(gòu)比較，游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)使得模型總效率增高0.19%，漏氣比略有降低。

（3）3種結(jié)構(gòu)汽封結(jié)構(gòu)比較，可以看出圓形腔室游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)游標(biāo)齒結(jié)構(gòu)模型總效率提高了0.03%，比平齒汽封結(jié)構(gòu)總效率提高了0.22%。

綜上所述，圓形對(duì)齒汽封結(jié)構(gòu)密封性較好，比平齒結(jié)構(gòu)模型總效率提高0.22%。