汽輪機(jī)軸封內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境下密封性的仿真研究

趙龍廣， 陳文婷, 張修清

(1.河南京能滑州熱電有限責(zé)任公司，安陽(yáng) 456400；2.漢嘉設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司山東分公司，濟(jì)南 250000;3.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001)

0 引 言

汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠的三大設(shè)備之一，汽輪機(jī)效率直接決定整個(gè)火力發(fā)電廠機(jī)組的總效率[1]。汽輪機(jī)效率也間接地決定了整個(gè)火力發(fā)電機(jī)組的煤耗，其中汽輪機(jī)組汽封漏氣造成的損失至少占整個(gè)汽輪機(jī)總效率損失的40%，與此同時(shí)，汽輪機(jī)組漏氣還會(huì)引起動(dòng)靜葉片間距突變、主軸應(yīng)力集中的安全問(wèn)題[2]。因此，汽輪機(jī)在進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要采取有效措施來(lái)防止汽封漏汽現(xiàn)象，以降低因蒸汽泄漏帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題。

軸封汽封(軸封)作為減少汽封漏氣應(yīng)用的主要形式之一，其作用是減少轉(zhuǎn)子兩端在穿過(guò)汽缸部位時(shí)引起的漏汽，梳齒型汽封是當(dāng)前汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)中使用最為常見(jiàn)的汽封結(jié)構(gòu)，其兼具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低和易磨損、漏氣量大等的優(yōu)缺點(diǎn)[3]。為優(yōu)化梳齒型軸封的易磨損、漏氣量大的缺點(diǎn)，各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家陸續(xù)推出了蜂窩汽封、布萊登汽封、刷式汽封、J型汽封等結(jié)構(gòu)[4]。

對(duì)于汽封設(shè)計(jì)過(guò)程中的密封性及安全性主要采取實(shí)驗(yàn)法和仿真法進(jìn)行結(jié)合使用，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試密封性方面中，Bohn等人[5]通過(guò)在單級(jí)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量軸封結(jié)構(gòu)的周向壓力分布和密封效率性能，比較分析了軸向間隙和徑向間隙的密封性能。Balasu等人[6]利用1.5 MW級(jí)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高、低壓軸封密封進(jìn)行了研究，采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)軸封的流動(dòng)進(jìn)行了可視化處理，并利用非定常壓力傳感器測(cè)量了壓力的周期性。Palafox等人[7]建造了一個(gè)實(shí)際軸封試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)測(cè)量CO2濃度來(lái)研究軸封密封效果。

在數(shù)值仿真方面數(shù)值模擬研究基本都采用雷諾平均Navier-Stokes模型(RANS)來(lái)研究軸封內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的穩(wěn)定現(xiàn)象，以提高設(shè)計(jì)軸封密封性能[8-12]。非定常雷諾平均Navier-Stokes(URANS)模型可以有效地模擬汽輪機(jī)軸封內(nèi)密封流動(dòng)，因?yàn)樵撃Ｐ湍軌蚰M軸封齒與軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置的相對(duì)變化。近年來(lái)，許多研究采用了非定常數(shù)值模擬(URANS)[13-15]和大渦模擬(LES)模型[16]；與RANS結(jié)果比較，非定常數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果更為接近。然而，LES模型需要大量的計(jì)算資源，但該模型的計(jì)算結(jié)果接近于URANS模型仿真結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比研究，非定常數(shù)值模擬方法提高了對(duì)軸封內(nèi)部蒸汽流動(dòng)的認(rèn)識(shí)水平，成為提高軸封優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方針。

性能優(yōu)異的軸封結(jié)構(gòu)可顯著減少汽輪機(jī)軸封漏氣，間接的減少化石能源消耗，進(jìn)一步助力火力發(fā)電行業(yè)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文以汽輪機(jī)軸封內(nèi)非定常流動(dòng)特性的實(shí)際認(rèn)識(shí)為目標(biāo)，在保證汽封與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨時(shí)能進(jìn)行及時(shí)后退調(diào)整，達(dá)到減少漏汽量的效果，實(shí)現(xiàn)提高汽輪機(jī)組效率的目的。研究了不同轉(zhuǎn)速下汽輪機(jī)軸封內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和性能。

1 模型建立及初始條件設(shè)置

本仿真模型采用梳齒型汽輪機(jī)軸封結(jié)構(gòu)，選取一單元梳齒型軸封為研究對(duì)象，對(duì)該單位結(jié)構(gòu)的軸封進(jìn)行二維建模并開(kāi)展數(shù)值計(jì)算。

1.1 物理模型

梳齒型軸封為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，物理模型在建立時(shí)選用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行汽封汽室內(nèi)部蒸汽流動(dòng)的仿真模擬。汽封計(jì)算域的幾何模型如圖1所示，基本尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 軸封結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖1 二維物理模型

軸封系統(tǒng)中存在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的梳齒，需采用三角形單元的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，該網(wǎng)格類型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)造容易、計(jì)算方便、占用內(nèi)存小，對(duì)復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性強(qiáng)，所建立的二維軸封物理模型網(wǎng)格數(shù)量74萬(wàn)，網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 二維計(jì)算模型網(wǎng)格圖

旋轉(zhuǎn)計(jì)算域由3個(gè)凸軸組成，靜止區(qū)域由4個(gè)高梳齒和3個(gè)低梳齒組成，如圖1所示。在非定常數(shù)值模擬中，設(shè)置4個(gè)高梳齒和3個(gè)低梳齒與凸軸之間的區(qū)域作為模擬區(qū)域，將葉片和邊緣密封內(nèi)腔設(shè)置為靜域，旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域。對(duì)于靜止域和旋轉(zhuǎn)域的交界面，采用了瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-定子(滑動(dòng)網(wǎng)格)模型。對(duì)主流進(jìn)口施加總壓邊界條件，對(duì)主流出口施加質(zhì)量流量邊界條件。圖2顯示了靜止域和旋轉(zhuǎn)域的計(jì)算網(wǎng)格。

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮軸封進(jìn)出口周圍存在脈動(dòng)，由于k-ωSST湍流模型比gamma-Re模型的仿真結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值，因此采用了k-ωSST湍流模型對(duì)其進(jìn)行求解。基于軸封流動(dòng)的特性，靠近壁面的邊界層流動(dòng)主要是層流和湍流的過(guò)渡，采用k-ωSST模型是k-ω和k-ε湍流模型的結(jié)合。在粘性底層中，采用k-ω模型，外區(qū)采用k-ε湍流模型。利用混合函數(shù)對(duì)兩種模型的區(qū)域進(jìn)行分割。質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物質(zhì)的守恒方程如下所示。

(1)

(2)

?·(λ?T)+?·(U·τ)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，τ和htot分別為應(yīng)變張量和總焓。

1.3 邊界條件設(shè)置

計(jì)算模型邊界條件數(shù)值參照300 MW汽輪機(jī)軸封的蒸汽參數(shù)，詳細(xì)仿真數(shù)值和邊界條件見(jiàn)表2。仿真過(guò)程中壁面均設(shè)置成固定、無(wú)滑移的邊界條件。由于其結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，本文只討論在給定幾何形狀下，在不同邊界條件下其內(nèi)部出場(chǎng)的情況。

表2 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的操作條件

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值結(jié)果及分析

圖3和4分別為軸封入口壓力為0.045 MPa，梳齒與凸軸間隙0.08 mm，出口為質(zhì)量流量條件下軸封內(nèi)的壓力云圖和速度云圖。由圖3可知，從入口到出口，軸封汽室內(nèi)的壓力逐漸降低，由速度云圖可知，在每個(gè)汽室內(nèi)，蒸汽速度變化不大，但都在梳齒與軸間隙處速度最大。

圖3 汽輪機(jī)軸封壓力云圖

從上述現(xiàn)象可以看出：蒸汽通過(guò)汽封片時(shí)會(huì)產(chǎn)生節(jié)流作用，所以蒸汽通過(guò)梳齒時(shí)會(huì)使蒸汽速度迅速升高，但是經(jīng)過(guò)梳齒之后，由于汽室空間突然增大，蒸汽速度又降低，而由于結(jié)構(gòu)上的原因使蒸汽流體向上旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生環(huán)形汽室和氣流回旋渦流。蒸汽通過(guò)渦流在環(huán)形汽室中不斷碰撞和摩擦，其間蒸汽本身的速度逐漸變?yōu)閮?nèi)能，從而在通過(guò)各個(gè)汽室時(shí)周而復(fù)始地實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封。由速度云圖可以看出，此結(jié)構(gòu)尺寸下的速度云圖中渦流現(xiàn)象并不明顯，因此，需微調(diào)節(jié)軸封齒結(jié)構(gòu)或者改變軸封進(jìn)汽狀態(tài)。

圖4 汽輪機(jī)軸封速度云圖

2.2 提高入、出口蒸汽壓力

在上述仿真的基礎(chǔ)上，提高軸封入口蒸汽壓力，入口蒸汽壓力為0.078 MPa，圖5和6為計(jì)算生成壓力云圖和速度云圖，通過(guò)提高軸封入口壓力，蒸汽入口處前1～2個(gè)高低齒間壓力降低較大，并且在梳齒尖端出現(xiàn)渦流，渦流尺寸增大，擾動(dòng)增大，各梳齒之間壓降明顯，更能提高軸封密封性能。

圖5 軸封內(nèi)壓力云圖(入口壓力0.078 MPa)

圖6 蒸汽壓力速度云圖(入口壓力0.078 MPa)

為了驗(yàn)證在軸封結(jié)構(gòu)不變，提高入口蒸汽壓力可以改善軸封效果，將入口蒸汽壓力提高至0.096 MPa，圖7、8為仿真計(jì)算后的壓力云圖和速度云圖。軸封入口進(jìn)口壓力的進(jìn)一步提高，軸封內(nèi)部擾動(dòng)更加劇烈，每個(gè)梳齒腔體之間充滿大渦流蒸汽，擾動(dòng)促使蒸汽速度降低明顯，實(shí)現(xiàn)較好的軸封密封性，但是在軸封出口壓力也增加，相應(yīng)的軸封冷卻水增大，熱損耗也增大，效率相應(yīng)降低。

圖7 軸封內(nèi)壓力云圖(入口壓力0.096 MPa)

圖8 蒸汽壓力速度云圖(入口壓力0.096 MPa)

2.3 減少梳齒與凸軸間隙

由圖9、10為降低梳齒與凸軸間隙，使間隙減小到0.05 mm，入口蒸汽壓力為0.096 MPa，與單純調(diào)節(jié)蒸汽入口壓力相比，軸封汽室內(nèi)的壓力降低更為顯著，但從出口壓力云圖和速度云圖來(lái)看，在提高進(jìn)口蒸汽壓力提高擾動(dòng)時(shí)，在減小梳齒與凸軸間隙時(shí)，促使出口處壓力、流速過(guò)大，造成出口排量，增加損耗。與原始工況下不同的是，間隙縮短0.03，汽輪機(jī)軸封入口值不變時(shí)，軸封內(nèi)的渦流現(xiàn)象越明顯，節(jié)流情況越顯著，其機(jī)械密封效果越好。

圖9 軸封內(nèi)壓力云圖(入口壓力0.096 MPa、間隙0.05 mm)

圖10 蒸汽壓力速度云圖(入口壓力0.096 MPa、間隙0.05 mm)

3 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS仿真軟件的非定常雷諾平均Navier-Stokes(URANS)模型對(duì)自主設(shè)計(jì)的軸封系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)計(jì)算局部壓力和速度，研究了軸封內(nèi)蒸汽流動(dòng)特性和軸封密封性能，主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)仿真可以觀察到軸封入口出前1～3個(gè)梳齒高低齒之間壓力降更明顯，高低齒之間流道的壓力和密封效果的周期性變化。

(2)在單流道中，單個(gè)梳齒沿周向的壓力分布是不對(duì)稱的，壓力分布低于齒尖頂端壓力，但在周向的密封效果是均勻的。

(3)在有限的軸封入口壓力下，降低部分梳齒與凸軸的間隙，可以有效增加汽封腔體內(nèi)的汽流擾動(dòng)，改善軸封密封性能。