迷宮密封通道內流動特性數值仿真

郭兆元, 張嘉禾, 萬榮華, 賈 銳, 楊 燕

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迷宮密封通道內流動特性數值仿真

郭兆元, 張嘉禾, 萬榮華, 賈 銳, 楊 燕

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了掌握汽輪機非接觸式迷宮密封的漏泄特性進而指導工程設計, 采用CFD方法對不同工況下, 不同結構尺寸的階梯式和直通式密封通道內的流動特性進行數值仿真, 并對漏泄特性進行了詳細分析。仿真結果表明, 減小壓比和間隙尺寸、增加節流數、減小腔室梯形腰與軸的夾角可有效降低蒸汽漏泄量, 而漏泄量對旋轉軸轉速不敏感。

汽輪機; 迷宮密封; 漏泄量; 數值仿真

0 引言

由于小功率汽輪機常處于高溫高速等特殊工作環境, 因此對其密封要求較高, 尤其是密封線速度超過一定數值后, 研制難度大幅度提高。非接觸式密封不受線速度的限制, 是一種較好的替代方案。目前, 透平機械應用的非接觸式動密封裝置包括迷宮密封、蜂窩密封和刷式密封, 以及新近研發的指式密封和葉片式密封。其中, 刷式密封是接觸式零間隙密封, 密封效果好, 主要應用于透平機械的軸封, 但是對軸的表面有特殊要求。蜂窩密封是一種密封效果優良的可磨耗密封結構, 由高溫合金蜂窩與背板組成[1-2]。在航空領域內高轉速情況下, 主要以非接觸性密封為主, 為了解決非接觸式密封在啟動過程中或低轉速時密封效果下降的問題, 也有采用接觸式密封和非接觸式密封共用的結構, 在低轉速或啟動時采用接觸式密封, 高轉速時采用非接觸式密封。

迷宮密封是透平機械尤其是發電用汽輪機中最常用的傳統非接觸式密封, 其密封原理是通過多次節流膨脹產生阻尼效果, 減少蒸汽沿軸向漏泄, 但由于齒間是環形腔室, 環向流動大大減少了渦流降速的效果, 因而漏泄量較大。它被做成各種形狀的曲折通道, 依靠節流間隙中的節流過程和空腔中的動能耗散過程來實現密封。這2個流動過程中的能量損失決定了其密封性能, 而迷宮密封內部的能量耗散作用受到迷宮結構、迷宮間隙、密封條件的影響[3-5]。通過研究迷宮密封內部的流動本質, 掌握在不同結構、不同迷宮間隙、不同工作條件下的流動規律和特點, 可充分發揮湍流流動的能量耗散作用, 提高密封效率。

本文采用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)方法對不同結構、不同間隙、不同工作條件下的非接觸式密封內流動規律、特點以及漏泄特性進行分析。

1 計算方法

1.1 迷宮密封工況

為了研究壓比變化時迷宮密封特性的變化規律, 采用數值計算方法仿真5種不同進口總壓工況條件下密封參數, 結構形式選定為階梯式。同時仿真10個轉速下的密封情況, 密封結構如圖1中的階梯式密封形式。

圖1 計算域及計算邊界條件示意圖

為了深入探究, 對密封腔進行簡化, 選用直通式密封結構即內軸為無階梯的平軸, 直通式密封原理和階梯式密封原理是近似的, 該原理可外推到階梯式密封結構的設計中。圖2給出了計算所采用的直通式非接觸式密封結構。

圖2 直通式密封結構示意圖

1.2 模型網格與方法

1) 計算模型

迷宮密封計算域與計算邊界條件如圖1所示, 將迷宮密封通流部分截面繞轉軸旋轉5°, 形成一個小薄層, 薄層的上下端面設置為旋轉周期對稱邊界條件形式, 以減少總體計算網格, 節約內存空間和計算時間, 用于加密局部流動比較復雜的區域, 獲得更加詳細的流動信息。

2) 計算網格

利用ANSYS ICEM網格生成器生成計算網格, 首先形成2D網格, 然后通過旋轉獲得3D網格。假設迷宮腔內的流動沿圓周方向是均勻的, 因此圓周方向上的網格計算量較小, 共取5個網格層, 整個網格為六面體結構化網格。為了提高網格質量, 沿固壁方向采用了O型網格, 同時在壁面處進行了網格加密以捕捉壁面處、節流處邊界層和流動細節, 并保證第1個網格單元中心到壁面的距離在0.002 mm以內。圖3給出了計算域整體網格與局部網格, 圖3(a)為階梯式密封網格, 圖3(b)為直通式密封網格。

圖3 計算網格

3) 求解方法

2 計算結果與分析

漏泄量是本次數值計算研究所關注的一個重要參數, 為了便于計算和比較, 文中的漏泄量是指在給定的結構參數和工況條件下, 汽輪機運行一定時間內從密封流出的蒸汽無量綱總量。

2.1 壓比對密封的影響

非接觸式密封的原理是通過增強附面層流動、漩渦強度、射流強度等方法提高密封腔內流體的摩擦損失, 將密封腔兩側的壓能轉變為動能, 通過流體摩擦將動能轉化為熱能, 進而形成壓阻來密封高壓側的流體向低壓側漏泄。

圖4所示為密封腔兩側壓力等值線分布, 其中流動方向為從右向左, 經過第1個節流處大致產生0.03 MPa的壓阻。結合圖5即密封腔室內矢量云圖可看出, 流體在節流處被加速, 流過節流處后形成射流進入腔室, 在腔室內高速射流與低速流體摩擦和摻混, 速度逐步減小, 到下一個節流處再次加速; 同時在腔室內形成一個較大的順時針漩渦, 該漩渦的強度與射流速度有關, 射流速度越高, 漩渦強度越大, 漩渦強度對流體的摩擦損失有較大的影響, 漩渦強度越大, 摩擦損失也越大, 壓阻也就越大, 密封效果也就越好。

圖4 密封腔內壓力等值線分布

圖5 密封腔內速度矢量圖

流體經過節流處將部分壓能轉換為動能, 在密封腔內由于射流、漩渦、附面層等相互作用將一部分動能轉換成內能, 而這部分內能在下一個節流處無法恢復到上一個節流處的壓力, 這兩個壓力差就是一個密封腔室與一個節流處形成的壓阻。靠近入口位置密封腔兩側的壓差并不大, 但由于壓力逐漸提高, 沿著流動方向, 密封腔兩側的壓差逐漸增大, 節流壓阻也增大。與壓阻較密切的一個氣動參數是蒸汽流動速度, 沿著流動方向流動速度增大, 流體的動能相差更大, 假定動能損失系數相同, 動能損失的絕對值就有較大差別。在沿流動方向流體速度增大, 每個密封腔內的動能損失量增大, 每個密封腔的壓阻也增大。

在密封結構、間隙尺寸以及出口背壓、主軸轉速不變的情況下, 改變進口總壓其實是重新建立流動平衡, 各個密封腔和節流處的流動參數重新分配形成新的壓阻來密封高壓側氣體向低壓側無節制的流動。結合圖6可知, 蒸汽速度增加時必然會導致密封通道的蒸汽漏泄量增加, 漏泄量與密封通道入口總壓近似成線性關系, 這可能是由于附面層比較薄, 對漏泄量影響比較小。

圖6 漏泄量隨密封通道入口總壓的變化曲線

2.2 間隙尺寸對密封的影響

間隙尺寸是迷宮密封的一個重要結構參數, 它對迷宮漏泄量起決定性作用。3種不同的間隙尺寸下, 進出口蒸汽參數變化較大, 間隙尺寸越大, 進出口面速度、馬赫數數值也就越大。結合圖7可知, 間隙尺寸的改變對密封腔內流動影響不大, 而對節流處流動影響較大, 從圖中可以看出, 隨著間隙的增大, 節流處速度附面層分布較明顯。當間隙小到一定程度后, 主流蒸汽對附面層的沖擊和拉拽作用使速度邊界層變薄, 整個節流面的速度也相應降低, 通過節流處的流量也隨之降低一些; 雖然當間隙增大時, 節流處速度邊界層較為明顯, 同時厚度也增大, 而蒸汽的主流速度受速度邊界層的干擾減弱, 節流處平均速度提高, 通過節流處蒸汽流量增加即漏泄量增大。

圖7 節流處矢量分布

圖8給出了密封通道漏泄量隨密封通道間隙尺寸的變化曲線, 可以看出, 當間隙尺寸增大時, 漏泄量總體上是增大的, 幾乎呈線性關系, 減小間隙尺寸可有效降低密封的蒸汽漏泄量。

2.3 腔室形狀對密封的影響

直通式迷宮密封結構簡單, 加工安裝容易, 本節主要對直通式密封腔室梯形腰夾角對密封效果的影響進行討論。圖9給出了密封通道內漏泄量隨軸線與腔室梯形腰夾角的變化, 從圖中可看出, 隨著夾角的減小, 蒸汽的漏泄量逐步降低, 在等腰梯形改變為等腰三角形之前, 夾角的減小和漏泄量的減小成線性關系; 當腔室的形狀改變為等腰三角形時, 腔室內的流動結構得到了重組, 更有利于提高漏泄控制能力, 使漏泄量迅速下降, 具體原因可通過腔室內的流場細節分析得到。

圖8 漏泄量隨間隙尺寸的變化曲線

圖9 漏泄量隨軸線與腔室梯形腰夾角的變化曲線

根據圖10可知, 當夾角較大時, 腔室內不僅有1個大漩渦產生, 同時在梯形的2個角上有1對反向渦, 當夾角減小時, 這對渦的距離逐漸減小; 當等腰梯形變為等腰三角形時, 這對反向渦匯聚到一起形成了一個強度較大, 與大漩渦旋向相反的漩渦。主流蒸汽帶動大漩渦旋轉運動, 并為漩渦運動提供動力和能量, 最終被漩渦內部蒸汽的相互摩擦轉變為熱能。同時結合圖11可知, 在密封腔室內, 蒸汽湍動能最大處主要是蒸汽流出節流處和蒸汽匯集節流處的地方, 當夾角增大時, 湍動能數值也增大, 當夾角為90°, 蒸汽匯集節流處時該值最大達到6 000 m2/s2、流出節流處時該值最大達到2 500 m2/s2。隨著夾角不斷減小, 匯集節流處的湍動能最大值也在減小, 流出節流處的湍動能最大值增大, 而湍動能的變化梯度變小, 高湍動能的區域面積變大。夾角減小時, 漏泄量逐漸減小, 而腔室中主渦區以及剪切層的湍流動能值逐漸增大; 隨著夾角的減小, 腔室形狀的變化越來越有利于形成渦流, 且與主流質量、動量、能量交換加強, 流動損失增加, 密封效果增強。這說明隨著夾角的減小, 蒸汽的湍動能增加并通過摩擦作用將動能轉化為熱能; 當夾角變為63.4°時, 一方面該角度更有利于大漩渦強度的增加, 湍動能增大, 另一方面頂部的漩渦強度因為2個反向渦的合并變強, 該處的湍動能也在增加, 因此損失較大, 壓阻也較大, 密封漏泄控制能力也有了進一步的提高。

圖10 密封通道內速度矢量分布

圖11 腔室梯形腰夾角不同時密封通道內湍動能等值線分布

2.4 節流數對密封的影響

從對密封腔室內的流動細節以及流動損失分析可知, 蒸汽流動損失主要集中在節流處附近, 也就是說大部分動能在節流處附近, 通過摩擦等方式轉化為熱能。從圖12可看出, 漏泄量隨著節流數增加而減小, 節流數為6~8時漏泄量變化較陡, 8~10時漏泄量變化較緩, 當節流數增加到一定程度后對漏泄量影響不大。結合圖13可知, 節流數減小時, 密封通道內的湍動能值有所上升, 同時高湍動能區域也在變大, 每個節流腔內的損失增加, 每個腔室承擔的壓降增加, 壓阻也增大, 但是腔室內流動損失的增加沒有因節流數減小造成的流動損失減小多, 因此整個密封通道內損失降低, 壓阻降低, 流動暢通, 漏泄量也增加。

圖12 漏泄量隨節流數的變化曲線

圖13 節流數不同時密封通道內湍動能等值線分布

2.5 轉速對密封的影響

主軸轉速也是非接觸式密封設計時所必須考慮的因素之一, 一方面, 轉速影響密封通道內流體的流動狀況, 另一方面, 轉速決定著密封轉子的動力學特性, 而轉子的動力學特性對密封間隙的選擇起到關鍵性作用。由于粘性的作用, 蒸汽具有周向分速度, 如果把沿軸向運動的蒸汽稱為主流, 那么就可以把沿周向運動的流體稱為二次流, 相對于沿軸向漏泄的主流來說, 周向運動的二次流會通過粘性的作用阻擋主流的流動, 也就是說, 主流要克服二次對其的剪切力就必須要消耗一部分動能, 這部分動能會轉換為蒸汽的熱能, 因此轉子的周向運動會增加壓阻, 減小漏泄量, 提高密封效果。

從圖14可知, 轉速增大時, 經密封通道的蒸汽漏泄量總體上是下降的, 但下降得較緩慢。隨著轉速的增加, 漏泄量變化呈逐漸增大的趨勢。

3 結論

應用CFD方法對小功率汽輪機軸非接觸式密封進行了數值計算, 并對壓比、間隙尺寸、轉速、腔室形狀、節流數等對密封效果的影響進行了深入研究和分析, 得出如下結論。

圖14 漏泄量隨轉速的變化分布

1) 在給定密封結構和尺寸下, 出口背壓一定時, 漏泄量與進口總壓近似呈線性關系, 減小進口總壓可有效降低蒸汽漏泄量;

2) 在其他密封結構不變以及工況條件一定的情況下, 密封漏泄量與間隙尺寸近似呈線性關系, 減小密封間隙可有效降低蒸汽的漏泄量, 提高密封效果;

3) 在工況條件不變的情況下, 減小軸線與腔室梯形腰夾角可有效提高漏泄控制能力;

4) 在工況條件不變的情況下, 減小節流數可使每個腔室內的流動損失增加, 然而總體來說, 腔室內的壓阻增加沒有節流數減小造成的壓阻減小的多, 密封通道內的總壓阻減小, 漏泄量增加;

5) 在工況條件不變的情況下, 轉子轉速增大, 漏泄量總體上降低, 但是數值變化較緩慢。

[1] 查志武. 魚雷熱動力技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[2] 晏鑫, 李軍, 豐鎮平. 蜂窩密封內流動傳熱及轉子動力學特性研究進展[J]. 力學進展, 2011, 41(2): 201- 216.Yan Xin, Li Jun, Feng Zhen-ping. Review of the Dis- charge, Heat Transfer and Rotor Dynamic Characterictics of Honeycomb Seals[J]. Advances in Mechanics, 2011, 41 (2): 201-216.

[3] 林麗, 劉衛華. 齒型夾角對迷宮密封性能影響的數值研究[J]. 潤滑與密封, 2007, 32(3): 47-50. Lin Li, Liu Wei-hua. Numerical Study of Configuration Effect on Labyrinth Seal Characteristics[J]. Lubrication Engineering, 2007, 32(3): 47-50.

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[5] 張強. 節流間隙寬度對直通式迷宮密封漏泄量的影響[J]. 內蒙古石油化工, 2010(12): 64-66.

Numerical Simulation on Flow Characteristic in Labyrinth Seal Passage

GUO Zhao-yuan, ZHANG Jia-he, WAN Rong-hua, JIA Rui, YANG Yan

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To investigate leakage characteristic of labyrinth seal of steam turbine for engineering design, the flow fields in straight and stepped labyrinth seal passages are numerically simulated by computational fluid dynamics(CFD) method in different conditions and structural sizes and shapes. Subsequently, the flow characteristic in labyrinth seal is analyzed in detail. Simulation results show that the leakage can be effectively reduced by decreasing the pressure ratio, the clearance width, or the angle between axis and cavity edge, or by increasing the number of throttles, but the leakage is insensitive to the speed of rotor.

steam turbine; labyrinth seal; leakage; numerical simulation

TJ630.32; TJ631.2

A

1673-1948(2013)05-0364-05

2013-04-30;

2013-06-27.

郭兆元(1980-), 男, 博士, 高級工程師, 主要從事魚雷熱動力技術方向研究工作.

(責任編輯: 陳 曦)