光轴迷宫密封泄漏流动特性影响因素的数值研究

(海军装备部驻沈阳地区军事代表局，辽宁 沈阳 110031)

光轴迷宫密封泄漏流动特性影响因素的数值研究

张森森

(海军装备部驻沈阳地区军事代表局，辽宁 沈阳 110031)

采用数值求解三维粘性Reynolds-Averaged Navier-stokes(RANS)方程技术,研究汽轮机低压光轴迷宫式隔板密封内泄漏流动特性及其影响因素。采用有限体积方法离散控制方程，标准k-ε紊流模型封闭求解方程组，同时考虑轴的旋转效应。针对典型的光轴整体加工尖齿隔板密封，分别数值研究了相同的轴向距离和径向间隙下三种齿间距在不同压比下的泄漏流动特性，计算了相应的无量纲流量系数。计算结果显示出迷宫隔板密封与轴之间的环形腔室内三维涡流使泄漏流动的动能有效地耗散成热能，起到了密封的作用。研究结果表明在相同的几何尺寸下迷宫隔板密封的泄漏量随着压比的减小而增大，在相同的压比条件下，泄漏量随着密封齿间距的减小而减小。本文的研究工作对合理有效地设计迷宫式隔板密封提供一定的理论依据和技术支撑。

光轴迷宫密封；泄漏流动；旋转效应；无量纲流量系数；数值模拟

0 引言

现代火力发电厂技术对动力装置越来越高的要求推动了汽轮机密封技术的不断发展，先进的转子和静子间的动密封技术可显著提高汽轮机的工作效率和可靠性。汽轮机的密封装置的结构主要是迷宫式密封、刷子密封和蜂窝密封[1]。迷宫式密封由于其结构相对简单和成本低，所以迷宫式密封是汽轮机最常用的密封装置。迷宫式密封的密封原理是密封齿与转子间形成的一系列节流间隙和膨胀空腔，使通过的气体产生节流与热力学效应而达到密封效果。

密封按其装置位置的不同可分为轴端密封(轴封)，隔板密封和通流部分密封(叶顶密封)三类。对于隔板密封，在汽轮机的高压端，缸内蒸汽压力高，为减少蒸汽的泄漏量，一般采用高低齿式汽封。在低压端，常采用光轴汽封，以适应转子和汽缸较大差胀的需要。随着节能和现代火电技术的发展，超临界汽轮机的应用范围越来越广泛，蒸汽压力高，级间密度大，造成漏气损失增加，而为了防止或减缓密封片的磨损，又不能选择过小的间隙，因此合适的低压隔板密封设计，既可以减少漏汽损失，又可以避免机组运行过程中发生转子低频振动，提高轴系稳定性[2]。

由于光轴迷宫式隔板密封结构的特点和转子的高速旋转造成其内部的三维紊流，使得实验研究其内部流动特性变得非常困难。随着计算机技术和计算流体动力学水平的发展，数值研究迷宫式隔板密封内部流动，分析密封的结构尺寸和工况条件对其密封效果的影响，提高隔板密封设计水平，逐渐在汽轮机制造业受到重视而得到相应的发展。刘有军[3]采用数值方法研究了迷宫密封的湍流增阻来提高其密封效果。Schlienger[4]采用实验方法研究了两种不同形状的叶顶汽封内部流动特性，主要研究分析了叶顶汽封内的泄漏流对叶栅流道内二次流影响的特性。Denecke[5]采用实验方法研究了动叶叶顶汽封齿与沟槽的形状和相对位置对泄漏量的影响。Denecke[6]最近采用LDV技术试验研究了考虑旋转效应的具有三个台阶的迷宫式密封内总温的发展规律。Vakili[7]采用试验和数值方法研究了两种密封齿结构的二维高低齿迷宫式密封的泄漏流动特性，分析了密封的泄漏流动和总压损失机理。纪国剑等[8]和张宏涛等[9]采用实验测试和三维数值模拟的方法研究了迷宫密封的流场特性和泄漏量变化规律。Freitas等[10]采用CFD方法三维数值研究了不同迷宫密封几何结构对其泄漏特性影响的基本规律。但是对于考虑高速旋转的光轴迷宫式隔板密封汽封的结构尺寸和工况条件对其泄漏流动影响的数值研究的报道却较少。

针对典型的整体加工直齿的光轴迷宫隔板密封，采用数值求解三维粘性Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程，研究其内部泄漏流动特性以及密封的结构尺寸和工况条件对其密封效果的影响。采用有限体积方法离散控制方程，标准k-ε紊流模型封闭求解方程组，同时考虑轴的旋转效应。数值研究了相同的轴向距离和径向间隙下3种齿间距在不同压比下的泄漏流动特性，计算了相应的无量纲流量系数。计算结果显示出迷宫隔板密封与轴之间的环形腔室内三维涡流使泄漏流动的动能有效地耗散成热能，起到了密封的作用。分析了齿间距和压比对迷宫密封泄漏量的影响。本文的研究工作对改进光轴迷宫密封的设计提供有益的参考。

1 计算模型和数值方法

图1给出了光轴迷宫式隔板密封的结构图，图1(a)中进气口，转子，密封和出气口构成了迷宫式隔板密封的通流部分，图1(b)描述了密封的结构尺寸，其中隔板密封的轴向距离是55.2 mm，图中所示的密封齿间距是8 mm，密封齿与转轴之间的径向间隙是0.44 mm。在隔板密封进气口与出气口压差的作用下，密封内的泄漏流动流经密封间隙时，其部分压力能转化为速度能，该速度能随即在密封齿与转轴间形成的环形腔室由于湍流涡旋耗散为热能而不能恢复为压力能，这样使通过的流体产生节流与热力学效应，泄漏流体的压力逐渐降低而达到密封效果。影响迷宫式隔板密封泄漏量的因素主要包括隔板密封轴向距离、密封间隙、密封齿间距、密封齿高度以及密封的前后压差。由于隔板密封的轴向距离、密封间隙和密封齿的高度由机组的结构所确定。所以本文研究在固定的密封间隙，密封轴向距离和密封齿高低的条件下，密封齿间距和前后压差对其泄漏流动特性的影响。

图1 光轴迷宫隔板密封结构图Fig.1 two-dimensional Structure of the straight-through labyrinth seal

光轴迷宫式隔板密封内的结构特点造成其泄漏流动是典型的三维紊流，为了正确分析光轴迷宫式隔板密封内部流场特性和计算泄漏量，采用商用CFD软件ANSYS-FLUENT数值求解三维粘性Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS_方程。三维隔板密封内部流动的控制方程如下:

(1)

式中ρ——流体密度;

U——流体速度矢量;

φ——通用变量，可以代表速度u，v，w以及k和ε等求解变量;

Γφ——广义扩散系数;

Sφ——广义源项。

为了节省计算时间，采用计算一段弧段的方法分析整个隔板密封内部流场的办法，弧段的两个断面是周期性边界。流体是过热蒸汽。由于计算区域的复杂性，采用非结构化计算网格(如图1(c)所示)。采用有限体积方法离散控制方程，对流项采用2阶迎风格式进行求解，扩散项采用1阶迎风格式进行数值求解。k-ε两方程紊流模型用于封闭求解的方程组，采用SIMPLE算法对离散方程进行数值求解。计算区域中转轴的转速是3 000 r/min，模拟中将转轴壁面设计成旋转壁面。

为了研究在相同密封轴向距离和间隙条件下，密封齿间距和压比对密封泄漏量的影响特性，需要计算不同工况下的无量纲流量系数。无量纲流量系数反映了在一定热力参数条件下密封的泄漏程度。无量纲流量系数由式(2)进行计算

CD=m/mt

(2)

式中m——数值模拟三维流场得到的汽封泄漏量;

mt——等熵条件下的理论泄漏量，由式(3)计算得到

(3)

式中p1——进口压力;

T1——进口温度;

σ——进口压力与出口压力之比;

A——汽封环形间隙的面积;

k——绝热指数;

R——气体常数。

2 结果分析与讨论

光轴迷宫式隔板密封计算模型的几何参数是密封轴向距离是55.2 mm，密封齿与转轴的间隙s=0.44 mm，分别对齿间距t是4 mm，8 mm和12 mm进行计算。图2给出了三种齿间距下静压等值线分布。其中进口总压是0.112 MPa，进口总温是392.95 K，出口静压是0.072 MPa，压比为出口静压与进口总压之比是0.64。图2中的压力值是与大气压相减后的压力相对值。从图2中可以看出密封内的泄漏流动经过密封齿与转轴之间的环形空腔的静压是呈阶梯式下降，直到达到出口静压。这是由于密封内的泄漏流动在进口与出口压差的作用下，泄漏流动经过密封间隙时，压力能转化为泄漏流动的动能，随即在环形腔室内由于湍流涡流将速度能耗散为热能，这样密封泄漏流动的压力在环形腔室内呈阶梯式下降。

图3给出了三种齿间距下的密封泄漏流动三维流线图。从图3中可以看出密封齿间距对泄漏流动模式的影响。齿间距是4 mm的密封内泄漏流动由于环形腔室的增加，泄漏流动的湍流涡流有效地将其耗散成热能，环形腔室内的回流区明显小于齿间距是8 mm和12 mm内的泄漏流动，这样导致密封效果更好。从图3中可以看出密封内的泄漏流动由于轴的旋转作用而具有周向速度，这样可以减小泄漏流动。为了更好分析环形腔室内回流区的模式，图4给出了光轴迷宫式密封泄漏流动二维流线图。从图4可以很清楚地看出密封齿间距对环形腔室内回流区地影响。泄漏流动经过径向机械能由压力能转化为的动能，在随后的环形腔室内由于湍流耗散和壁面剪切应力的作用，将密封间隙的泄漏射流动能有效地耗散为热能。密封齿间距的减小，环形腔室个数相应增加，在湍流涡流和壁面剪切应力的作用下，泄漏流动的动能耗散成热能要大于密封齿间距大的密封，这样导致泄漏量的减小。

图2 光轴迷宫式密封的静压等值线分布Fig.2 Static pressure contours distribution in the straight-through labyrinth seal

图3 光轴迷宫式密封的三维流线图Fig.3 Three-dimensional streamlines distribution in the straight-through labyrinth seal

图4 光轴迷宫式密封内二维流线图Fig.4 Two-dimensional streamlines distribution in the straight-through labyrinth seal

图5 光轴迷宫式密封在不同齿间距和压比下的无量纲流量系数曲线Fig.5 Discharge coefficients curves of the straight-through labyrinth seal

为了进一步研究密封齿间距和压比对迷宫式密封泄漏量的影响，对三种齿间距下的密封分别计算了7种压比下的无量纲流量系数。图5给出了所计算的无量纲流量系数曲线。其中横坐标是压比，表示出口静压与进口总压的比值，纵坐标是无量纲流量系数，三条曲线分别表示三种齿间距。根据图5的数据。在相同的压比条件下，对于相同的密封轴向弦长和密封间隙，密封的泄漏量随着齿间距的减小而减小。在相同的几何结构参数下，密封的泄漏量随着压比的增大而减小。

3 结论

针对典型的光轴迷宫式隔板密封的结构特点，考虑轴的旋转效应，数值研究了密封齿间距和压比对其泄漏流动特性的影响，同时计算了相应的无量纲流量系数结论如下：

(1)由于转子的旋转作用和迷宫式隔板密封结构的特点，密封内的泄漏流动是典型的三维紊流流动，在密封齿和转轴之间的环形腔室内，泄漏流动由于转轴的旋转而具有周向分速，使泄漏流动有减小的趋势。由于密封和转轴之间形成的环形腔室的作用，泄漏流动在密封间隙后的动能有效地转化为热能，起到了良好的密封作用。

(2)在相同的隔板前后压力差的情况下，密封轴向距离和间隙不变的条件下，泄漏量随着齿间距的减小而减小。在相同的密封轴向距离和间隙条件下，密封齿间距不变时，泄漏量随着压比的增加而减小。

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NumericalInvestigationoftheInfluenceFactorsontheLeakageFlowCharacteristicsintheStraight-throughLabyrinthSeal

ZHANG Sen-sen

(Military representative bureau of navy armament department (of Chinese PLA) Resident in Shenyang Region，Shenyang 110031,China)

The leakage flow characteristics and its influence factors in the straight-through labyrinth seal is investigated using a three-dimensional viscous Reynolds-Averaged Navier-Stokes solver. The finite volume method is used to discretize the governing equation. The standardk-εturbulent model is applied to close the solving equations. The effect of the axis rotation is also taken into account to simulate the flow fields in the straight-through labyrinth seal. The leakage flow characteristics in a typical straight-through labyrinth seal at three kinds of teeth pitch under different pressure ratio is calculated. The discharge coefficients at different flow condition are computed. The numerical results show that the annular cavity between the labyrinth seal and rotational axis can transfer the kinetic energy of the leakage flow into heat energy. The obtained results demonstrate that the leakage flow rate increases with the decreasing pressure ratio at the same geometrical structure. In addition, the leakage flow rate decreases with the teeth pitch decreases at the same pressure ratio. The present work can be able supply the theoretical basis and technical support for the improved design of the straight-through labyrinth seal in the turbomachinery industry application.

straight-through labyrinth seal;leakage flow;rotating effect;discharge coefficient;numerical simulation

2014-05-14修订稿日期2014-06-21

张森森(1977～)，男，学士，工程师，研究方向为动力机电管理。

TK26:TK263.6+3

A

1002-6339 (2014) 04-0300-05