回转式空气预热器柔性密封片流固耦合分析

吴 磊，王少华，姚 亮，杜佳桥

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

回转式空气预热器（简称空预器）是提高锅炉效率的重要组件之一，具有质量轻、钢耗少、布置方便等特点[1-2]。在空预器运行过程中，其内部转子与扇形板间存在一定的间隙，在隔仓压差作用下的空气会通过间隙泄漏。处理间隙泄漏问题的常规方法是配备一套密封系统，传统密封技术采用刚性非接触式密封，存在漏风率高、密封效果差等问题，如间隙自动控制系统和双密封技术[3-4]。早在1988年，文献[5]首次提出预留间隙的设计思路，并分析了空预器转子的热变形。2006年，文献[6]通过对减少漏风措施的分析，提出了改造方案并达到了预期效果。2013年，文献[7]通过对影响回转式空预器漏风率因素的分析，提出压差漏风是主要漏风。

回转式空预器密封装置主要有接触式柔性密封、弹簧合页式密封、VN固定式密封、可调式密封等几种形式，接触式柔性密封装置因密封效果良好而得到了大量应用[8-9]。柔性密封片在工作状态下同时受到预压及流场压差作用，密封片的预压效果影响着回转式空预器漏风率。利用CFX软件对回转式空气预热器进行三维数值模拟，对其内部的气流场、柔性密封片进行流固耦合分析，研究密封片结构参数对其性能的影响，同时分析密封间隙和预压量的关系，从而设计出满足工作要求的柔性密封片。

2 柔性密封片

2.1 柔性密封片简介

柔性密封片作为柔性密封装置核心部件之一，在预压作用下产生约束反力矩来抵抗空预器内部流场压差。密封片在工作状态时受到预压载荷和流场压差载荷，在两种载荷下的柔性密封片与扇形板间的漏风间隙直接影响着回转式空预器漏风率。柔性密封装置主要由柔性密封片、固定靠板、预压背板及热双金属自补偿装置组成，其示意图，如图1所示。

图1 柔性密封片装置结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Flexible Sealing Disc Device

当回转式空预器工作运行时，其内部温度高达几百摄氏度，普通的合金钢材料无法满足密封片工作要求，因此选用镍基高温合金作为密封片材料，其材料的具体参数，如表1所示。

表1 密封片材料参数Tab.1 Sealing Disc Material Parameters

2.2 柔性密封片研究工况

将回转式空气预热器工作状态时密封片同时受到预压及流场压差作用下的工况作为研究工况。空预器空气仓和烟气仓间的压差最高为14000Pa，该压差由两至三道柔性密封片承受。研究工况下的漏风率设定在5%以内，密封间隙为3mm。研究工况下的柔性密封片示意图，如图2所示。

图2 密封片研究工况示意图Fig.2 Schematic Diagram of Working Condition of Sealing Disc

3 有限元仿真

3.1 有限元模型建立及网格划分

柔性密封片的尺寸相对于回转式空预器的整体外形尺寸来说是很小的，为了节省计算时间及得到精确的计算结果，仅选取对密封片产生作用的局部空预器区域作为流体域。采用Pro/Engineer软件建立宽度为100mm的柔性密封片和空预器局部流场三维模型，如图3所示。

图3 流固耦合三维模型Fig.3 Fluid-Solid Coupling 3d Model

将建立好的三维模型导入到Ansys Workbench中进行流固耦合分析，利用Workbench自带的Mesh模块对密封片装置及流体域进行网格划分，在综合考虑仿真分析时间和计算结果精度的基础上，得到的有限元网格模型，如图4所示。

图4 流体域及密封片有限元网格模型Fig.4 Fluid Domain and Seal Element Mesh Model

3.2 流固耦合边界条件设置

完成对柔性密封片和流体域的网格划分之后，需要对流固耦合控制方程所应满足的边界条件进行设置，不同的边界条件会对流固耦合计算结果产生重要影响[10]。流体域入口采用Static Pressure入口边界条件，流体域出口采用openning自由流出口边界条件。将密封片作为流固耦合交界面与流体域出入口边界以外的其他表面一同设置为壁面边界条件。流体域材料采用标准大气压下的25℃空气，固体域材料使用镍基高温合金。对于约束及载荷，固体域下表面施加全约束，密封片接触端施加竖直向上的力载荷以模拟预压反力矩。完成边界条件设置的整个计算域模型，如图5所示。

图5 计算域模型Fig.5 Computational Domain Model

4 流固耦合计算结果分析

回转式空气预热器柔性密封片结构参数包括：厚度d、弹性半径R、初始迎角θ和直线端长度l，其示意图，如图6所示。

图6 柔性密封片结构参数Fig.6 Structural Parameters of Flexible Seals

针对柔性密封片四个结构参数，改变其中一个参数，其他三个参数保持不变。利用CFX软件对柔性密封片进行流固耦合模拟，研究不同结构参数对密封片性能的影响。为了使模拟计算更加符合真实情况，施加载荷过程中在密封片接触端施加一个反力来模拟预压反力矩产生的效果。改变反力的大小使其产生的力矩与流场压差对密封片产生的力矩达到平衡，处于平衡状态下的密封片位移云图，如图7所示。最后根据反力产生的反力矩大小准确计算出密封片的预压量。

图7 平衡状态下的密封片位移云图Fig.7 Displacement Cloud Diagram of Sealing Disc under Equilibrium State

针对作用于回转式空预器密封片表面的压差载荷，文献[11]在分析空预器隔仓压差对柔性密封片强度和刚度的影响中将压差作为均布压强施加到密封片上，却未考虑到实际的流场对密封片的作用是复杂的，其结果存在一定的误差。为了使计算结果更加精确，采用流固耦合方式对柔性密封片进行分析，将得到的结果与直接施加均布压强得到的结果进行对比分析，研究其中的差异。设置经过流固耦合模拟计算得到的预压量为Δy，密封片活动端允许的最大下压量为Δf，密封片补偿量为Δ0，三者之间的关系，如图8所示。当Δy+Δ0≤Δf时，密封片满足研究工况要求。

图8 压缩量关系图Fig.8 Compression Quantity Diagram

4.1 厚度d对密封片性能的影响

选取六组不同的密封片厚度，变化范围为（0.30～0.55）mm，间隔为0.05mm，研究六组厚度下的密封片预压量、接触段最大下压量和极限下压状态下的最大等效应力的变化情况，其结果，如图9、图10所示。图中接触端允许的最大下压量与流固耦合推算预压量之间的差值即为该结构参数下接触式柔性密封片能够达到的最大密封补偿量。表面压强计算预压量是施加均布压强载荷得到的密封片预压量。

图9 d变化下的预压量及接触端位移量图Fig.9 Diagram of Preloading Amount and Contact End Displacement under d Variation

图10 d变化下的最大等效应力图Fig.10 Maximum Equal-Effect Diagram under d Change

由图9和图10分析得到：（1）随着厚度d等间距增大，密封片预压量及接触端允许最大下压量呈现出逐渐减小的趋势。（2）六组厚度下的表面压强计算预压量始终大于对应的流固耦合推算预压量。（3）密封片的最大密封补偿量随着厚度d的增加而减小，其最大值为11.7mm，最小值为0.9mm。（4）当厚度d＜0.4mm时，密封片最大等效应力已超过其许用弯曲应力。为了保证接触式柔性密封片的使用寿命，其厚度不能小于0.4mm。

4.2 直线端长度l对密封片性能的影响

选取六组不同直线端长度l，变化范围为（36～46）mm，间隔为2mm，厚度d、弹性半径R、及初始迎角θ保持不变。对六组接触式柔性密封片进行流固耦合模拟和有限元静力学仿真，得到密封片预压量与最大下压量变化图，如图11所示。极限状态下的最大等效应力图，如图12所示。

由图11和图12分析得到：（1）六组直线端长度下的表面压强计算预压量始终大于对应的流固耦合推算预压量。（2）密封片最大等效应力随着直线端长度增大而变大，基本上呈线性关系。在直线端l的研究变化范围内，其最大等效应力没有超过密封片许用弯曲应力。（3）随着直线端长度等间距增大，密封片预压量及接触端允许最大下压量呈现出逐渐增大的趋势，最大密封补偿量呈微弱减小趋势。在直线端l的研究变化范围内，密封片最大密封补偿量的最大值为4.1mm，最小值为3.5mm。（4）由于密封片安装空间的局限性，其直线端长度l宜选取为42mm，该长度下所需的预压量为9.0mm，最大密封补偿量为4.0mm。

图11 l变化下的预压量及接触端位移量图Fig.11 Diagram of Preloading Amount and Contact End Displacement under l Change

图12 l变化下的最大等效应力图Fig.12 Maximum Equal-Effect Diagram under l Change

4.3 初始迎角θ对密封片性能的影响

选取六组不同的密封片初始迎角θ，变化范围为（26～36）°，间隔为2°，研究六组初始迎角下的密封片预压量、接触段最大下压量和极限下压状态下的最大等效应力的变化情况，其结果，如图13～图14所示。

图13 θ变化下的预压量及接触端位移量图Fig.13 Plot of Pre-Loading and Contact Displacement under Theta Change

图14 θ变化下的最大等效应力图Fig.14 Maximum Equal-Force Diagram for Theta Change

由图13和图14分析得到：（1）随着初始迎角θ等间距增大，密封片预压量及接触端允许最大下压量呈现出逐渐减小的趋势，最大等效应力呈现出快速减小的趋势。（2）六组初始迎角下的表面压强计算预压量始终大于对应的流固耦合推算预压量，且二者的差异较大。（3）密封片的最大密封补偿量随着初始迎角θ的增加而减小，其最大值为4.6mm，最小值为2.9mm。（4）在满足密封片工作要求的前提下，优先选取较小的初始迎角。考虑到密封片的安装环境，初始迎角选取为30°，该角度下所需的预压量为6.8mm，最大密封补偿量为4.0mm。

4.4 弹性半径R对密封片性能的影响

选取六组不同弹性半径R，变化范围为（9～14）mm，间隔为1mm，厚度d、直线端长度l和初始迎角θ保持不变，对六组接触式柔性密封片进行流固耦合模拟和有限元静力学仿真，得到密封片极限状态下的最大等效应力变化图，如图15所示。预压量与最大下压量变化图，如图16所示。

图15 R变化下的最大等效应力图Fig.15 Maximum Equal-Effect Diagram under R Change

图16 R变化下的预压量及接触端位移量图Fig.16 Diagram of Preloading Amount and Contact End Displacement under R Change

由图15和图16分析得到：（1）六组弹性半径下的表面压强计算预压量始终大于对应的流固耦合推算预压量。（2）密封片的最大等效应力随着弹性半径R增大而变大，基本上呈线性关系。在弹性半径R的研究变化范围内，其最大等效应力没有超过密封片的许用弯曲应力。（3）随着弹性半径R等间距增大，密封片预压量及接触端允许最大下压量呈现出逐渐增大的趋势，最大密封补偿量呈微弱减小趋势。在弹性半径R的研究变化范围内，密封片最大密封补偿量的最大值为4.2mm，最小值为3.7mm。（4）综合考虑密封片安装区域的空间尺寸，选取密封片的弹性半径为10mm，该尺寸下其需要的预压量为6.6mm，最大密封补偿量约为4.0mm。

根据结构参数厚度d、弹性半径R、初始迎角θ和直线端长度l在耦合模拟中对柔性密封片性能的影响结果，得出了一组密封片设计参数，如表2所示。其密封补偿量为4mm左右。

表2 柔性密封片的设计参数Tab.2 Design Parameters of Flexible Seals

4.5 密封间隙与预压量的关系

这里对柔性密封片的流固耦合模拟是基于漏风率在5%以内，密封间隙为3mm工况下进行的。针对密封间隙＜3mm的柔性密封片装置，通过对密封间隙与压差的关系曲线的线性拟合，推算出密封间隙＜2mm时各级密封的压差值及漏风率。根据推算出的密封间隙下的压差值，对流固耦合模型施加边界条件进行数值模拟，进而计算出密封间隙在3mm以内时的密封间隙与预压量关系，以探究柔性密封片能够控制达到的最小漏风率。以表2中的柔性密封片设计参数为依据，对密封片进行流固耦合模拟计算，得到了预压量、密封间隙、漏风率、最大密封补偿量间的三维关系曲线，如图17、图18所示。

图17 密封间隙、预压量及漏风率关系曲线Fig.17 Relation Curve of Seal Clearance，Preloading and Air Leakage Rate

图18 密封间隙、补偿量及漏风率关系曲线Fig.18 Relation Curve of Seal Clearance，Compensation Amount and Air Leakage Rate

根据预压量、密封间隙、漏风率、最大密封补偿量间的关系曲线得到：随着密封间隙等间距增大，柔性密封片所需的预压量快速减小，最大密封补偿量呈现出逐渐增大的趋势。可以通过增大预压量的方式来减小空预器漏风率，密封间隙也会随着漏风率的减小而变小，当密封间隙为0.5mm时，柔性密封片的最大密封补偿量仅为1.1mm。根据流固耦合计算结果推断出：在满足研究工况的前提条件下，柔性密封装置没有实现“零间隙”密封功能，而是将漏风间隙控制在一个很小的范围内。

5 结论

（1）根据反力产生的反力矩大小可以准确推断出密封片所需的预压量，相同结构参数变化下的流固耦合预压量小于表面压强计算预压量。（2）通过流固耦合模拟分析，得到了柔性密封片在不同结构参数下所需的预压量，总结归纳出一组柔性密封片设计参数。（3）柔性密封片并非真正的“零间隙”密封，而是将漏风间隙控制在一定范围内，但依然能够达到符合回转式空预器要求的极小漏风率。（4）由于流场压差的作用，柔性密封装置的密封补偿量仅能达到4mm左右，只能满足热端转子直径4m以内区域的变形要求。