梳齒汽封泄漏特性實驗研究

關(guān)鍵詞：梳齒汽封；泄漏性能；背壓；流場特性

汽封由于可減少動靜部件之間的間隙，減少漏氣并提高機組運行效率，被廣泛應(yīng)用于汽輪機、航空發(fā)動機及燃氣輪機等透平機械中［1?3］。在傳統(tǒng)迷宮汽封［4］基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了蜂窩［5］、刷式［6］、新型結(jié)構(gòu)［7］等汽封型式，并通過大量實驗與仿真研究密封泄漏特性，但如何有效提高汽封泄漏性能仍是一個難點。

汽封型式對汽封的泄漏特性起關(guān)鍵作用。Childs等［8］通過實驗測試了螺旋齒汽封不同螺旋角度、轉(zhuǎn)速、壓比及預(yù)旋對密封泄漏量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著螺旋角度增大泄漏量逐漸增加。Zhou等［9］提出了一種新型交錯螺旋齒結(jié)構(gòu)迷宮汽封，通過數(shù)值模擬分析了不同密封間隙、壓降、齒數(shù)與齒寬等對新型交錯螺旋齒結(jié)構(gòu)汽封泄漏量的影響規(guī)律，結(jié)果表明密封泄漏量隨著壓降和密封間隙增大而增加，隨著齒數(shù)增加而減少，當齒數(shù)與密封長度一定時齒寬變大會增加泄漏量，而腔寬增加會減少泄漏量。張萬福等［10］設(shè)計了一種新型徑向環(huán)形汽封并通過Fluent軟件分析了徑向環(huán)形汽封與梳齒汽封在不同間隙與壓比下的泄漏系數(shù)，結(jié)果表明在同一間隙下徑向環(huán)形汽封的泄漏系數(shù)比梳齒汽封的降低約20%，且系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高。Jia等［11］研究了一種T型迷宮密封并建立了整圓計算模型，計算結(jié)果表明：在軸向長度與密封間隙相同時T型迷宮密封泄漏量比直通式迷宮密封的減少約23.6%～25.3%，比交錯式迷宮密封的增加7.4%～8.5%。

結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣對迷宮汽封泄漏量有著重要影響。Yücel等［12］通過實驗與理論計算方法對階梯式迷宮汽封泄漏量進行了研究，發(fā)現(xiàn)密封泄漏量隨著壓差增大而上升，且給出了階梯迷宮汽封中可壓縮性流體流動的連續(xù)性方程與周向動量方程?？禈芳危?3］通過建立三維數(shù)值模型分析了不同齒形結(jié)構(gòu)對迷宮汽封泄漏量的影響，結(jié)果表明：在齒數(shù)足夠且密封間隙一定時高低齒汽封比平齒汽封的泄漏量降低約10%，且側(cè)齒汽封相較于平齒汽封的密封泄漏量降低約5%。寧哲等［14］建立了迷宮汽封三維數(shù)值模型并數(shù)值分析了壓比、密封間隙、齒寬與臺階高度對階梯式迷宮汽封的影響，研究發(fā)現(xiàn)汽封泄漏量隨壓比、密封間隙增大而增加，且上升速率逐漸降低，齒寬越小泄漏量越低，而臺階高度變化對汽封泄漏量影響較小。

本文基于此建立了梳齒汽封三維數(shù)值模型，通過實驗與計算流體力學(xué)（CFD）對比的方法分析了在不同背壓閥門開度、進口壓力和轉(zhuǎn)速下梳齒汽封泄漏量的變化規(guī)律。

1實驗裝置與方法

1.1實驗裝置

圖1為梳齒汽封泄漏密封實驗裝置。該裝置主要由梳齒汽封實驗臺、背壓裝置及供氣裝置等組成。梳齒汽封實驗臺主要由滑動軸承、平衡板、氣缸、轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器、增速器及無極變頻電機構(gòu)成，其中，空載下電機轉(zhuǎn)速最高可達6000r·min?1?？諝鈮嚎s機將空氣增壓存儲至儲氣罐（最大壓力為3MPa），為實驗提供高壓氣體并采用高精度渦街流量傳感計進行測量。此外，為了研究不同背壓對梳齒汽封泄漏性能的影響，在梳齒汽封實驗臺上安裝背壓裝置，通過調(diào)節(jié)背壓閥門開度來調(diào)整背壓，并使用壓力表測量背壓值。

圖2為梳齒汽封二維幾何結(jié)構(gòu)，其中：d為轉(zhuǎn)子直徑；Cr為密封間隙；H為齒高；t為齒尖寬；w1為齒根寬；w2為腔寬；N為齒數(shù)。經(jīng)壓縮的高壓空氣由氣缸中間進氣，向兩端排出，依次通過梳齒密封、背壓腔、背壓閥門和背壓梳齒密封。其中，梳齒密封段長度為70.5mm，背壓梳齒密封段長度為20mm，具體參數(shù)如表1所示。

1.2實驗方法

梳齒汽封泄漏特性實驗主要分為實驗預(yù)處理、測試及數(shù)據(jù)后處理三個階段。開機前，檢查實驗裝置臺是否有異物、油路系統(tǒng)是否正常以及冷卻電機。汽封泄漏測試過程中，測試梳齒汽封在不同轉(zhuǎn)速、進口壓力與背壓閥門開度下密封泄漏量的變化。其中，背壓閥門開度為0代表閥門全關(guān)，背壓閥門開度為1.0代表閥門全開。

表2為汽封泄漏特性的實驗工況。梳齒汽封泄漏特性測試工質(zhì)為空氣，通過調(diào)節(jié)進氣口閥門控制進口壓力Pin，其范圍為0.25～0.6MPa。由于梳齒密封段出口為背壓腔室，通過調(diào)節(jié)背壓閥門控制背壓P，泄漏量一部分通過背壓閥門流向大氣，一部分流經(jīng)背壓梳齒密封件。電機轉(zhuǎn)速ω通過變頻器調(diào)節(jié)，范圍為0～1500r·min?1。

2數(shù)值方法

使用前處理器GAMBIT建立梳齒汽封三維模型，為提高精度，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為節(jié)約計算資源，對梳齒汽封件進行簡化，模擬單側(cè)流體流動，出口段為背壓，計算域如圖3所示。圖4給出了梳齒汽封件的網(wǎng)格分布示意圖。

表3為數(shù)值計算時采用的求解方法。基于k?ε兩方程湍流模型和三維RANS方程求解方法，采用CFD方法分析不同進出口壓力、轉(zhuǎn)速對梳齒汽封泄漏特性的影響，并與相同工況下的實驗結(jié)果進行對比。計算時工作介質(zhì)為空氣；固壁面視為絕熱、光滑壁面，同時近壁面處通過壁面函數(shù)法進行處理；采用高精度離散模型。當動量方程與連續(xù)性方程的殘差數(shù)量級均小于10?6，且進、出口流量差小于0.1%時可認為計算收斂。

2.1網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在轉(zhuǎn)速為500r·min?1、背壓閥門開度為1.0、進口壓力為0.25MPa工況下，選擇4種網(wǎng)格數(shù)，分別為150萬、215萬、285萬和365萬，通過比較梳齒汽封的泄漏量進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，計算結(jié)果如圖5所示。

當網(wǎng)格數(shù)由150萬增加至365萬時，密封泄漏量逐漸變大且增長速率驟降。同時，當網(wǎng)格數(shù)增加而密封泄漏量偏差小于0.5%并趨于穩(wěn)定時，則視為網(wǎng)格無關(guān)。

2.2數(shù)值計算方法有效性驗證

為了驗證實驗方法的可行性，測試了在轉(zhuǎn)速為500r·min?1、背壓閥門開度為1.0工況下不同進口壓力對密封泄漏量的影響，并將實驗值與CFD模擬值進行對比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，梳齒汽封泄漏量的實驗值與模擬值均隨進口壓力變大而增加，且整體變化趨勢近似，兩者相對誤差均小于5%，具有較高的吻合度，從而驗證了該方法的可行性。

3結(jié)果分析

3.1閥門開度對背壓的影響

為了解背壓腔室內(nèi)背壓的變化規(guī)律，通過調(diào)節(jié)背壓閥門開度，測試了不同轉(zhuǎn)速、背壓閥門開度下進口壓力對背壓的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7（a）可知，進口壓力對背壓起關(guān)鍵作用，背壓隨著進口壓力增加而變大，且上升速率逐漸放緩。背壓閥門開度對背壓有顯著影響，在同一進口壓力與轉(zhuǎn)速下，背壓閥門開度越大背壓越小。在低進口壓力下，背壓幅值變化隨著閥門開度變化甚微；在高進口壓力下，背壓幅值變化隨著閥門開度變化劇烈。

由圖7（a）～（d）可知，轉(zhuǎn)速對背壓幅值變化影響較小。在進口壓力與閥門開度一定時，隨著轉(zhuǎn)速由0r·min?1上升至1500r·min?1，背壓幅值緩慢增大且增加速率越來越小。

3.2進口壓力對汽封流場特性的影響

為了解梳齒汽封腔室內(nèi)部流場變化情況，通過CFD方法分析了在轉(zhuǎn)速為500r·min?1、背壓閥門開度為0.5工況下不同進口壓力對汽封腔室壓力場的影響，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在不同進口壓力下汽封各級腔室內(nèi)的壓力場變化均不明顯，而在汽封入口段壓降變化劇烈，在腔室四周形成小漩渦（中間壓力低而四周壓力高），這是由于在節(jié)流作用下氣體速度驟升而壓力急劇下降；壓力在入口段與出口段變化顯著而中間變化較小，同時腔室內(nèi)壓力沿軸向逐級遞減；隨著進口壓力增大汽封形成的小漩渦在第一級腔室內(nèi)逐漸消失，且緩慢向下一級腔室轉(zhuǎn)移。

3.3進口壓力對汽封泄漏量的影響

為了解梳齒汽封泄漏特性變化規(guī)律，通過實驗測試了不同轉(zhuǎn)速、閥門開度及進口壓力下的梳齒汽封泄漏量，并將實驗值與CFD模擬值進行對比，結(jié)果如圖9所示。

由圖9中的實驗值可知，梳齒汽封泄漏量隨著進口壓力增大而上升，且近似呈線性關(guān)系；在同一進口壓力下，轉(zhuǎn)速與閥門開度對汽封泄漏量影響較小，隨著轉(zhuǎn)速升高、背壓閥門開度減小，密封泄漏量緩慢減少。由于實驗過程中存在誤差，實驗值略高于模擬值。

由圖9中的模擬值可知，在低進口壓力下，背壓閥門開度對汽封泄漏量的影響甚微；在高進口壓力下，汽封泄漏量隨著背壓閥門開度增大而顯著增加。相較于進口壓力的影響，轉(zhuǎn)速對汽封泄漏量影響較小，隨著轉(zhuǎn)速提高，泄漏量緩慢下降且近似保持恒定。模擬值與實驗值整體變化趨勢相同且吻合度較高。

4結(jié)論

通過實驗測試了不同背壓閥門開度、轉(zhuǎn)速及進口壓力對梳齒汽封泄漏量的影響，并與CFD模擬值進行對比，主要結(jié)論為：

（1）梳齒汽封泄漏量的實驗值與模擬值整體變化趨勢相同且吻合度較高，兩者相對誤差較小。

（2）同一背壓閥門開度下，梳齒汽封泄漏量隨著進口壓力增大而增加，近似呈線性關(guān)系；而隨著轉(zhuǎn)速升高，泄漏量緩慢下降且近似保持恒定。

（3）在進口壓力和轉(zhuǎn)速一定時，汽封泄漏量隨著背壓開度的變大而增加，且在背壓閥門開度為1.0時，汽封泄漏量達到峰值。