孔型阻尼密封在透平膨脹機噴嘴葉片上的應(yīng)用

趙以奎，李時明，王 梟，陳啟明，于躍平，常 超

（1.合肥通用機械研究院有限公司 壓縮機技術(shù)國家重點實驗室 壓縮機技術(shù)安徽省實驗室，合肥 230031；2.派克漢尼汾流體傳動（上海）有限公司，上海 201206）

0 引言

透平膨脹機通過將來自上游的高焓值氣流膨脹為低焓值氣流，將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，從而推動葉輪的轉(zhuǎn)軸將動能輸出為機械能，是動力循環(huán)中重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。向心透平膨脹機中，高溫高壓氣流進入蝸殼后，再流入噴嘴、葉輪及擴壓器，最終低溫低壓氣流離開透平膨脹機，并輸出功［1-8］。

膨脹機噴嘴葉片是調(diào)節(jié)進氣量的核心部件，為了保障其能夠靈活轉(zhuǎn)動，噴嘴葉片側(cè)面與蝸殼表面始終存在一定的間隙，如圖1中Δ1和Δ2，由此導(dǎo)致部分高壓氣流直接通過間隙進入葉輪，從而出現(xiàn)泄漏氣流沒有流經(jīng)噴嘴葉片，流動呈無序狀態(tài)，對進入葉輪的主氣流有干擾；泄漏氣流在間隙流動中的膨脹效率低，降低了膨脹機的整體效率等問題。為了減少間隙內(nèi)的流動損失，需要盡可能減小間隙，但過小的間隙又會給機組的安全運行帶來隱患。

圖1 噴嘴葉片與壓緊裝置側(cè)面間隙示意Fig.1 The schematic diagram of clearance between nozzle blade and side of compression device

孔型阻尼密封的作用原理為氣流通過孔時產(chǎn)生很強的渦流和屏障，氣流在各個小孔空腔內(nèi)分解成的渦流，加強了氣流能量耗散效果。反沖氣流下方的密封間隙區(qū)域?qū)?yīng)形成局部低速區(qū)，即反沖氣流能有效降低密封間隙內(nèi)的氣流速度，從而形成很大的阻尼，以達到阻止氣流泄漏的密封效果?？仔妥枘崦芊庾饔迷砣鐖D2所示。

圖2 孔型阻尼密封作用原理示意Fig.2 The schematic diagram of action principle of holepattern damping seal

針對蜂窩密封，已有部分學(xué)者進行了研究：索付軍［9］對蜂窩密封內(nèi)部耗散機理進行了數(shù)值計算；謝宏星［10］對高爐余壓透平機密封特性進行了計算研究；丁磊［11］對厚壁環(huán)形蜂窩密封和孔型密封封嚴(yán)特性及吸氣抑制葉片振動的特性進行了研究；何榮娥［12］對汽輪機軸端蜂窩密封進行了數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；張明［13］對旋轉(zhuǎn)機械高性能密封技術(shù)進行了總結(jié)和概述；其余也有部分學(xué)者對蜂窩密封特性進行了研究［14-18］。但目前為止，尚未有針對在噴嘴葉片上加裝孔型阻尼密封的研究。

本文將孔型阻尼密封加裝于噴嘴葉片側(cè)面，并對比計算密封加裝前后的噴嘴氣動性能。結(jié)果表明，孔型阻尼密封可以有效提高噴嘴膨脹比且降低焓損失，從而降低流動損失。同時由于孔型阻尼密封材質(zhì)較噴嘴葉片材質(zhì)硬度低，因此可以進一步減小葉片與蝸殼的間隙，從而進一步提高噴嘴氣動性能。

1 計算模型

噴嘴葉片孔型阻尼密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴嘴葉片孔型阻尼密封結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The schematic diagram of hole-pattern damping seal structure of nozzle blade

孔型阻尼密封的密封性能與孔直徑S、孔間距T、孔深度H，以及密封間隙Δ1均有直接關(guān)系。對于本文研究對象，葉片與蝸殼的間隙Δ1和Δ2取1.0 mm，孔深度H取0.8 mm，孔間距T取0.2 mm，孔直徑S取2 mm。

2 計算方法

采用CFD方法對噴嘴流場進行計算，對流體域進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約150萬，如圖4所示。

圖4 計算網(wǎng)格Fig.4 Computational grids

流場進口為壓力進口，給定總壓和總溫；出口為流量出口，給定質(zhì)量流量；周期面為旋轉(zhuǎn)周期面；壁面為無滑移絕熱壁面；介質(zhì)為理想氣體水蒸氣。通過計算可得流場進出口總壓和焓值，應(yīng)用下式對噴嘴氣動性能進行計算：

式中 π ——膨脹比；

Pt1——進口總壓；

Pt2——出口總壓；

Δh ——焓損失；

h1——進口總焓；

h2——出口總焓。

在相同進口條件和流量條件下，膨脹比越大，焓損失越低，表明噴嘴做功能力越強，效率越高。

3 計算結(jié)果

3.1 計算驗證

首先對未加裝噴嘴的模型進行CFD計算，并與實際運行數(shù)據(jù)進行對比驗證。該模型噴嘴數(shù)量為28個，葉頂間隙為1 mm，翼型為TC-2P翼型，安裝角為60°，將該模型記為模型1，其現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)見表1，CFD計算結(jié)果見表2。

表1 模型1現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)Tab.1 The field operation parameters of model 1

表2 模型1氣動性能計算結(jié)果Tab.2 The calculation results of aerodynamic performance of model 1

計算得到膨脹比為1.03，與運行數(shù)據(jù)一致，表明了本文計算方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 各模型氣動性能對比

加裝孔型阻尼密封且間隙為1 mm的噴嘴記為模型2，加裝孔型阻尼密封且間隙為0.5 mm的噴嘴記為模型3。對模型2和模型3進行流場計算，結(jié)果見表3。

表3 模型2和3氣動性能計算結(jié)果Tab.3 The calculation results of aerodynamic performance of model 2 and 3

通過對比表2，3可以發(fā)現(xiàn)：模型2膨脹比較模型1提高了1%，焓損失降低約5%；模型3膨脹比較模型1提高了2%，焓損失降低10%。表明加裝孔型阻尼密封可以顯著提高噴嘴氣動性能，且間隙越小，氣動性能的提升越大。

3.3 各模型流場分布對比

3種模型的50%葉高截面流場壓力云圖，流場速度云圖，流場流線分別如圖5～7所示。

圖5 流場壓力云圖Fig.5 Flow field pressure nephogram

圖6 流場速度云圖Fig.6 Nephogram of flow field velocity

從圖5，6可以看出，在孔型密封處形成了低壓、低速區(qū)域，從而使得通過密封的氣流壓力和速度迅速衰減，從而達到抑制間隙流動的作用。從圖7中可以看出，加裝孔型阻尼密封后，間隙處的流量顯著減少。

圖7 流場流線Fig.7 Flow field streamline

此外，加裝孔型密封后，噴嘴下游流場中低能團和高能團更加明顯，可能會對下游葉輪流場產(chǎn)生一定的影響，需進行整機計算加以驗證。

4 結(jié)論

（1）加裝孔型阻尼密封可以顯著提高噴嘴膨脹比，降低焓損失。對于本文計算模型，加裝孔型阻尼密封使得噴嘴葉片膨脹比提高1%，焓損失降低5%。

（2）孔型阻尼密封有利于更好的控制噴嘴與蝸殼的間隙，間隙減小后，噴嘴的氣動性能進一步提升。對于本文計算模型，間隙減小50%后，噴嘴葉片膨脹比提高1%，焓損失下降5%。

（3）孔型阻尼密封導(dǎo)致噴嘴下游低能團和高能團更加明顯，后續(xù)需要進行整機流場計算加以分析。

本文研究結(jié)果表明葉片加裝孔型阻尼密封對透平膨脹機噴嘴的氣動性能有顯著提升，但對于孔的形狀、尺寸和分布等參數(shù)優(yōu)化，以及孔型密封對下游流場的影響，均需進一步的工作。