凸臺高度對高低齒迷宮式汽封性能的影響

曲秀蘭，石計紅，潘寶財

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

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凸臺高度對高低齒迷宮式汽封性能的影響

曲秀蘭，石計紅，潘寶財

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

本文利用數值模擬的方法對高低齒迷宮式汽封的特性進行了研究。通過研究獲得了該型汽封的漏氣量，并獲得了不同凸臺高度對汽封內部流場的影響情況，通過確定合適的凸臺高度使得泄漏量減少，從而提高汽輪機的穩定性和使用壽命。

汽封；數值模擬；結構優化

汽封裝置廣泛應用于汽輪機動、靜之間，用來減少或防止蒸汽泄漏和空氣漏入的汽輪機裝置。高低齒迷宮式汽封作為一種非接觸式汽封，其泄漏量的存在是必然的。影響高低齒汽封的因素很多，如汽封間隙、凸臺高度、齒間距、齒高和齒數等。本文研究的重點凸臺高度對高低齒汽封性能的影響，最終確定合適的凸臺高度使得泄漏量減少，從而提高汽輪機的穩定性和使用壽命。

1 數值模擬方法

1.1 計算域模型

圖1是某高低齒汽封的幾何結構示意圖，數值模擬時只截取了汽封的一個弧段（軸半徑R=166mm，占圓周3°的一個弧段）。齒間距設為8mm。齒與軸之間的漏氣間隙d=0.5mm，高齒高為10.5mm，凸臺高度h為4mm，凸臺寬度為6mm，汽封段長度49mm。

圖1 高低齒汽封流道的幾何結構圖

在1907年，Becker通過實驗發現，汽輪機轉速對于密封泄漏量的影響不大。因此本文采用定常二維模型對高低齒流動情況進行分析是合理的。

1.2 邊界條件

模型采用結構化網格，邊界條件如表1。

近轉軸位置設定成旋轉壁面，轉速值設定為3000轉/分鐘，蒸汽沿汽封周向運動呈現周期性的狀態，因而可以對弧段的兩個斷面應用周期性邊界條件。

表1 邊界條件

2 數值模擬結果

保持汽封其它幾何參數不變，凸臺高度由0mm增加到6mm，對這幾種情況進行二維流場模擬，得到了汽封內部流場的具體情況和各自的汽封泄漏量。當凸臺高度為1mm時，該汽封結構接近于平齒汽封，在汽封腔內兩個大渦起主要作用，兩個小渦流的強度相對較小，因此漏汽量仍然比較大。當凸臺高度變為4mm時，汽封腔內的渦流的強度值達到最大，此時的汽封泄漏量最小。伴隨凸臺高度的增加，腔內的有效容積將逐漸變小，導致沒有足夠的空間形成渦流，動能轉變為熱能的程度不夠充分，導致漏氣量逐漸變大。

表2 泄漏量 kg/s

表2給出了不同工況與不同凸臺高度下泄漏量的計算結果。

圖2中為在兩個工況下不同凸臺高度下的無量綱——流量系數變化曲線。

圖2 不同凸臺高度下的無量綱——流量系數曲線

通過對計算結果的分析可知，在兩種工況下流量系數隨著凸臺高度的增加呈現了減小的趨勢，當凸臺高度為4mm時流量系數最小。凸臺高度繼續增加到5mm和6mm時，流量系數基本沒有太大的變化，凸臺高度為3mm、4mm、5mm、6mm時，它們的汽封性能十分接近。由于兩個工況下的曲線具有相同變化趨勢，因此，此時工況的變化并沒有影響汽封結構對于泄漏量的決定作用，因此幾何參數主要影響汽封泄漏量。

3 結論

本文對不同凸臺幾何尺寸汽封模型，進行了數值模擬研究。結果表明對于一定幾何參數汽封裝置，存在一個最佳的凸臺高度。凸臺高度從0mm變到6mm時，汽封泄漏量先減少后增加。凸臺高度對于流場的影響是影響了空腔內的動能耗散的過程。當凸臺高度為4mm時對于所設計的尺寸來說，空腔內的渦流達到了最佳的狀態，動能耗散最少，因此在各種凸臺高度中它的泄漏量最少。此時的汽封性能最好。

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1671-0711（2016）11（上）-0174-02