蜂窩葉頂密封對透平級氣動性能的影響研究

陳秀秀,晏鑫,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所, 710049, 西安)

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蜂窩葉頂密封對透平級氣動性能的影響研究

陳秀秀,晏鑫,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所, 710049, 西安)

采用數值計算方法研究了蜂窩葉頂密封的幾何尺寸對汽輪機高壓缸兩級內氣動性能的影響,分析了蜂窩密封的幾何參數,包括密封間隙、蜂窩孔深、蜂窩孔徑對透平級氣動性能的影響規律。研究結果表明:隨著蜂窩密封間隙的增大,動葉下游靜葉內二次流損失增加,透平級內總總等熵效率下降,密封內泄漏量近似線性增加;隨著蜂窩孔深的增大,總總等熵效率先增大后基本趨于定值,泄漏量則隨孔深的增大先減小然后趨于定值;蜂窩孔徑對透平級氣動性能的影響主要取決于孔內和密封出口的泄漏流場結構,隨著蜂窩孔徑的增大,總總等熵效率逐漸增大,泄漏量逐漸減小;蜂窩密封間隙的變化對主流流場的影響顯著,蜂窩孔徑的變化對主流流場的影響次之,而蜂窩孔深對主流流場的影響較弱。

蜂窩密封;透平級;氣動性能;數值模擬

相比于常規的迷宮密封,蜂窩密封具有優良的泄漏控制能力和轉子動力學特性,因此廣泛應用在燃氣輪機、航空發動機、蒸汽輪機、壓氣機和泵等重要的透平機械裝置中[1]。汽輪機中使用蜂窩密封代替迷宮密封可使沖動級的效率提高約1.2%,反動級效率提高1.8%,軸端漏汽量下降50%[1]。通過將燃氣輪機葉頂迷宮密封更換為蜂窩密封,會使機組的出力增大0.6%、熱耗下降0.6%[2]。在壓氣機中,通過將迷宮密封更換為蜂窩密封,可使熱耗下降0.2%～0.6%,出力增大0.3%～1.0%[3]。此外,由于蜂窩密封的可磨耗性和阻尼特性,其運行的安全性和穩定性相對于傳統迷宮密封都有十分顯著的優點[4]。

國內外學者針對蜂窩密封開展了大量的研究工作。Willenborg等對靜止狀態條件下的光滑面迷宮密封和蜂窩密封內的泄漏流動和傳熱特性進行了數值研究和實驗測量,蜂窩密封的間隙尺寸對泄漏量和轉、靜子面Nu分布有重要影響,靜子面的結構型式對密封腔室內的流場結構影響顯著[5];Paolillo等利用實驗和數值研究相結合的方法,對高溫、高轉速條件下的階狀直齒和斜齒蜂窩密封內的泄漏特性進行了研究,當轉速與軸向流速之比大于5時,泄漏量下降20%以上[6]。晏鑫等采用數值方法研究了燃氣輪機階狀蜂窩密封內的泄漏流動和總溫升特性,蜂窩靜子面對密封內的流場結構和密封出口平均溫度有顯著影響[7]。Yang等則研究了迷宮密封、刷式密封和蜂窩密封對透平單級效率的影響,用刷式密封和蜂窩密封替換傳統迷宮密封,泄漏量可降低30%、級效率提高0.6%[8]。Gao等針對一個透平級內動葉頂部蜂窩密封的泄漏特性進行了研究,與迷宮密封相比,蜂窩密封影響了葉頂泄漏流動,減少了泄漏流與主流的摻混損失[9]。

上述研究大多集中于單純的軸端蜂窩密封內的泄漏流動特性,而關于蜂窩密封對汽輪機整級和多級氣動性能的影響研究相對較少,針對蜂窩密封幾何結構的改變對透平級氣動性能影響的研究十分匱乏。因此,本文以典型汽輪機高壓缸兩級透平級內帶動葉頂部蜂窩密封結構為研究對象,采用數值方法研究蜂窩密封的間隙、孔深和孔徑尺寸對透平級氣動性能的影響規律,分析泄漏流對主流流場的影響機制,為透平級氣動性能優化和蜂窩密封結構的設計提供參考。

1 計算模型和數值方法

圖1給出了計算模型圖,研究對象為大功率汽輪機高壓缸的第11、12級,動葉頂為蜂窩密封結構,靜葉葉根為迷宮密封結構,S11、R11、S12和R12分別為第11級靜葉、第11級動葉、第12級靜葉和第12級動葉。第11級動葉和12級動葉的葉頂密封設計間隙分別為0.8、0.9 mm,葉片幾何尺寸見表1。

圖1 帶動葉葉頂蜂窩密封兩級透平級幾何模型

名稱葉片數葉高/mm軸向弦長/mmS11801064738R11641105250S12801146242R12641182859

利用商用CFD軟件AutoGrid5生成葉柵通道內的多塊結構化網格,采用商用CFD軟件ANSYS ICEM11.0生成動葉頂蜂窩密封和葉根迷宮密封的結構化網格。圖2給出了透平級計算網格示意圖,圖3給出了葉柵通道內的網格示意圖。

(a)計算網格示意圖

(b)動葉R11葉頂蜂窩密封計算網格圖2 帶動葉葉頂蜂窩密封的透平級計算網格

圖3 葉柵通道B2B網格示意圖

采用商用CFD軟件ANSYS CFX11.0求解全三維定常RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程。透平級進口邊界給定總壓為9.834 MPa,總溫為708.05 K,湍流度為5%;出口給定平均靜壓為7.76 MPa,動葉轉速為3 000 r/min;所有壁面均為絕熱無滑移邊界。動靜葉間的交界面采用混合平面法處理上下游界面間數據的傳遞,泄漏流通道和主流通道間采用插值的方法處理界面上數據的傳遞。

計算中,工質模型為實際水蒸氣(IAPWS IF97),湍流模型為SSTk-ω,對流項離散采用高精度格式,利用時間推進方法進行數值求解。當連續方程、動量方程、能量方程和湍流方程的均方根殘差小于5×10-5時,認為計算達到收斂。

(a)y+ (b)網格數圖4 純通流網格無關性驗證

計算前分別對純通流和帶密封結構的兩級透平級進行網格無關性考核。圖4給出了純通流(僅葉柵通道)透平級總總等熵效率隨近壁面平均y+和網格數的變化曲線,圖5給出了帶蜂窩葉頂密封(如圖2所示的結構)的透平級總總等熵效率隨蜂窩葉頂密封近壁面平均y+和網格數的變化曲線。從圖4、5中最終確定,當葉柵通道的近壁面平均y+為8、葉柵網格總數為240萬時,單個蜂窩葉頂密封的近壁面平均y+為27、單個蜂窩密封網格數為235萬時,基本可以獲得網格無關解。本文中帶蜂窩葉頂密封的兩級結構總的計算網格為850萬。

(a)y+ (b)網格數圖5 帶蜂窩密封透平級網格無關性驗證

2 結果分析

2.1 蜂窩密封間隙對透平級氣動性能的影響

文獻[5]指出,蜂窩密封的泄漏量近似與密封間隙成正比,對泄漏流動結構產生顯著影響,因此本文選取5種密封間隙,研究蜂窩密封間隙的改變對透平級氣動性能的影響規律。5種密封間隙分別為:C1為0.2、0.225 mm(C1為0.2 mm指R11的蜂窩密封間隙,C1為0.225 mm指R12的蜂窩密封間隙,其他情況類似),C2為0.4、0.45 mm,C3為0.8、0.9 mm(設計間隙),C4為1.6、1.8 mm,C5為3.2、3.6 mm。5種間隙條件下,蜂窩孔深固定為6 mm,孔徑固定為5.5 mm。

本文總總等熵效率定義為

(1)

圖6給出了透平級總總等熵效率ηis隨蜂窩密封間隙的變化規律。從圖中可以看出,總總等熵效率隨密封間隙的增大逐漸減小,但減小的幅度逐漸下降。圖7給出了動葉R11和動葉R12葉頂蜂窩密封內泄漏量(動葉頂實際泄漏量與主流流量之比)隨密封間隙的變化規律。從圖中可以看出,當蜂窩孔尺寸一定時,隨著密封間隙的增加,泄漏量成線性增長,這與文獻[5]的研究結果是一致的。此外,由于動葉R12的葉頂間隙大于動葉R11的葉頂間隙,導致動葉R12的葉頂泄漏量大于R11,并且在大間隙條件下,R12葉頂泄漏量增長率明顯高于R11。結合圖6和圖7可知,隨著蜂窩密封間隙的增大,動葉葉頂泄漏量增大,不僅導致做功工質的減少,而且泄漏流與主流的摻混作用加劇,透平級效率下降。

圖6 總總等熵效率隨蜂窩間隙的變化

圖7 葉頂泄漏量隨蜂窩間隙的變化

圖8和圖9分別給出動葉R11和靜葉S12的出口氣流角隨動葉葉頂蜂窩密封間隙的變化規律。從圖8、9中可以看出,在小間隙時(C1、C2),泄漏流影響的范圍很小,泄漏流對主流的影響主要集中在90%葉高以上的區域。隨著葉頂間隙增大到C4、C5時,蜂窩密封間隙泄漏流對主流流場的影響區域擴大到20%葉高以上的區域。葉頂間隙越大,間隙對氣流角的影響越明顯,R11的出口氣流將以更大的負攻角進入下游靜葉S12,產生較大的攻角損失和葉型損失。由此可見,蜂窩密封不適合在較大間隙的條件下運行,小間隙條件下運行的蜂窩密封不僅可以更好地發揮其可磨耗性,還可以減小泄漏流對主流流場的擾動,提高透平級的氣動性能。

對于下游靜葉S12,從圖9可以看出,隨著蜂窩間隙的增大,頂部氣流角的峰值逐漸向中葉展處移動。這主要是由于間隙增大導致動葉R11葉頂泄漏量加大,使得泄漏流進入主流的動能加強,與主流的摻混作用增強,因此泄漏流的進入使下游靜葉S12葉頂處的通道渦損失大幅增加。

圖8 5種蜂窩密封間隙時動葉R11出口氣流角沿葉高的分布

圖9 5種蜂窩密封間隙時靜葉S12出口氣流角沿葉高的分布

為了深入研究泄漏流對主流流場的影響機理,圖10給出沿S12葉柵通道軸向的5個特征截面處的二次流分布。二次流定義為截面上的當地流場與平均流場差值,詳細定義參見文獻[10]。圖11給出5種間隙條件下5個軸向位置上的二次流分布,圖中流線上方為葉頂,右側為S12吸力面。從圖中可以看出,小間隙條件下,S12靜葉進口的二次流渦系尺寸較小,泄漏流量對主流的摻混作用并不明顯。隨著間隙增大,靜葉S12進口的旋渦尺寸逐漸增大,泄漏流對葉柵通道主流的影響程度逐漸增強。隨著軸向位置向下游推移,5種間隙條件下的S12葉柵通道軸向二次流不斷發展、尺寸增大,端壁低能流體向中葉展擴展,對下游靜葉的二次流損失產生顯著影響,使得透平級效率下降。

圖10 靜葉S12軸向截面二次流分布

圖11 靜葉S12軸向截面上的二次流分布展開圖

2.2 蜂窩孔深對透平級氣動性能的影響

蜂窩孔深是蜂窩密封設計的重要尺寸參數,蜂窩孔深的選擇不僅影響透平級的氣動效率,還影響著蜂窩密封的加工成本。蜂窩孔深越大,消耗材料越多,成本越高[1]。因此,本文選取5種蜂窩孔深,研究不同蜂窩孔深對透平級氣動性能的影響規律。5組孔深分別為H1=0 mm、H2=4 mm、H3=6 mm、H4=8.7 mm和H5=12 mm。圖12給出了動葉R12葉頂蜂窩密封變孔深示意圖,動葉R11的葉頂蜂窩密封以同樣的方式改變孔深。孔深H1=0時,相當于光滑靜子面。在變孔深計算中,蜂窩密封的間隙C3為0.8、0.9 mm,孔徑D3=5.5 mm。

圖12 動葉R12葉頂蜂窩密封孔深變化示意圖

圖13和圖14給出了透平級總總等熵效率和泄漏量隨動葉R11和R12葉頂蜂窩密封孔深的變化規律。從圖13、14中可以看出:當孔深從0增大到12 mm時,總總等熵效率隨孔深的增大先增大然后基本保持不變;泄漏量隨孔深的增大先減小然后基本保持不變。孔深從0增大到4 mm時,總總等熵效率和泄漏量的變化幅度最大,密封間隙內的泄漏量得到有效降低,效率顯著提高。由此可見,相對于光滑靜子面,蜂窩孔深只要達到一定值,就能顯著控制泄漏量。繼續增大孔深,葉頂泄漏量變化不大,透平級的氣動性能也不會明顯改善,反而會造成蜂窩材料的浪費。對于本文所計算的模型,當蜂窩孔深達到4 mm時,就可以滿足氣動性能方面的要求。

圖13 總總等熵效率隨蜂窩孔深的變化

圖14 葉頂泄漏量隨蜂窩孔深的變化

圖15給出了5種孔深條件下靜葉S12出口氣流角沿葉高的分布。當孔深從H1=0增大到H2=4 mm時,泄漏流對S12出口氣流角的影響程度最大。隨著孔深的進一步增大,氣流角改變十分微弱,這說明孔深對主流影響較小。

圖15 5種孔深下靜葉S12出口氣流角沿葉高的分布

2.3 蜂窩孔徑對透平級氣動性能的影響

蜂窩孔徑同樣是蜂窩密封重要的幾何尺寸,文獻[5]表明,蜂窩孔徑的變化會影響密封有效間隙的大小,導致泄漏量顯著變化。因此,本文選取5種蜂窩孔徑,通過計算分析孔徑的變化對透平級效率的影響規律。5種孔徑尺寸分別為D1=0 mm、D2=2.5 mm、D3=5.5 mm、D4=9.5 mm、D5=18.5 mm,保持蜂窩密封的間隙C3為0.8、0.9 mm,蜂窩孔深H3=6 mm。

圖16和圖17給出總總等熵效率和泄漏量隨蜂窩孔徑的變化規律。從圖16、17中可以看出,隨孔徑增大,總總等熵效率逐漸增大,泄漏量逐漸減小。當孔徑從0增大到2.5 mm時,總總等熵效率和泄漏量的變化幅度最大,泄漏量可以得到有效降低。這說明相對于光滑靜子面,蜂窩靜子面能顯著地控制泄漏量,達到良好的密封效果。當蜂窩孔徑從2.5 mm增大到9.5 mm時,效率提高的幅度不大,泄漏量減小的幅度不明顯;當蜂窩孔徑從9.5 mm增大到18.5 mm時,效率的提高幅度較大,這主要是由于孔徑從9.5 mm增大到18.5 mm時,R12泄漏量大幅減小。

圖16 總總等熵效率隨蜂窩孔徑的變化

圖17 葉頂泄漏量隨蜂窩孔徑的變化

為了分析不同孔徑條件下蜂窩密封內的流場結構對透平級效率和泄漏量的影響,圖18和圖19分別給出4種孔徑條件下R11葉頂蜂窩密封內的流線圖和速度云圖。從圖18、19中可以看出:當孔徑較小(D2=2.5 mm)時,每個蜂窩孔內出現上下兩對旋向相反的小旋渦,氣流在蜂窩孔內的速度較低,蜂窩孔對氣流的耗散作用不顯著。隨著孔徑增加,每個蜂窩孔內旋渦發展為一個尺度較大的旋渦,氣流在蜂窩孔區域的速度增大,蜂窩孔對氣流的耗散作用增強。同時,最后一個蜂窩孔出口間隙射流強度減弱,且影響區域減小,蜂窩密封出口(圖19中A處)氣流速度逐漸減小,使得葉頂泄漏量減小,密封泄漏流對葉柵主流的擾動減小,透平級的總總等熵效率提高。

圖18 4種孔徑下R11葉頂蜂窩密封內的流線圖

圖19 4種孔徑下R11葉頂蜂窩密封內的速度云圖

圖20和圖21分別給出4種孔徑下R12葉頂蜂窩密封子午面上的流線圖和速度云圖。R12葉頂蜂窩密封內的流場結構與R11類似,隨著孔徑增大,同樣使得氣流在蜂窩孔內的耗散作用增強,蜂窩密封出口速度減小(圖21中B處),有效地減小了動葉頂蜂窩密封的泄漏量,導致密封泄漏流對葉柵主流的擾動減小,使得透平級的總總等熵效率提高。由此可見,對于透平級內蜂窩葉頂密封,蜂窩孔內的耗散作用、出口流場結構和速度是影響泄漏量、透平級效率的主要因素。

圖20 4種孔徑下R12葉頂蜂窩密封內的流線圖

圖21 4種孔徑下R12葉頂蜂窩密封內的速度云圖

圖22給出了5種孔徑條件下動葉R11出口氣流角沿葉高的分布。當孔徑從D1=0增大到D2=2.5 mm時,泄漏流對R11出口氣流角的影響程度最大;當孔徑繼續增大時,孔徑對R11出口氣流角的影響較弱。

圖22 5種孔徑下動葉R11出口氣流角沿葉高的分布

3 結 論

本文采用數值方法研究了5種間隙、5種孔深和5種孔徑條件下蜂窩密封的幾何尺寸參數對透平級氣動性能的影響,得到以下結論。

(1)對于本文所研究的蜂窩葉頂密封結構,隨著蜂窩密封間隙的增大,葉頂蜂窩密封內的泄漏量近似線性增長,透平級總總等熵效率下降,蜂窩密封間隙的改變對主流流場的影響顯著。

(2)對于本文所研究的蜂窩葉頂密封結構,隨著蜂窩密封孔深的增大,總總等熵效率先增大然后趨于定值,泄漏量則隨孔深的增大先減小然后趨于定值。對于本文研究的計算模型,當蜂窩孔深大于4 mm時,繼續增大孔深對透平級氣動性能影響十分微弱。

(3)對于本文所研究的蜂窩葉頂密封結構,隨著蜂窩密封孔徑的增大,氣流在蜂窩孔內的耗散作用減弱,密封出口速度減小,導致葉頂泄漏量逐漸減小,總總等熵效率逐漸增大。蜂窩孔徑對透平級氣動性能的影響程度主要取決于蜂窩密封的耗散作用、出口流場的結構和速度。

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(編輯 武紅江 苗凌)

Effect of Honeycomb Shroud Seals on Aerodynamic Performance of Turbine Stages

CHEN Xiuxiu,YAN Xin,LI Jun

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Effects of honeycomb shroud seal dimensions on the aerodynamic performance of the steam turbine stages in the high-pressure cylinder are investigated by using a computational fluid dynamics method. Critical geometrical parameters, including the sealing clearance, hole-depth and hole-diameter, of the honeycomb seal are selected as research objectives to compute the performance of two turbine stages in a range of geometrical dimensions. Numerical results show that as the sealing clearance increases, the secondary loss downstream the rotor blade increases, the total-total isoentropic efficiency of turbine stages decreases and the leakage increases at an approximately linear rate. When the hole-depth increases, the total-total isoentropic efficiency increases at first and then keeps constant, while the leakage rate in the honeycomb seals decreases at first and then keeps constant. The effects of the honeycomb diameter on the leakage rate and stage efficiency are mainly determined by the flow field structure in the honeycomb cells and seal outlet region. As the hole-diameter increases, the total-total isoentropic efficiency increases while the leakage rate decreases. The variation of sealing clearance has a pronounced influence on the main flow field structure, while the change of hole-depth has less effect on the aerodynamic performance of turbine stages than that of sealing clearance. Among the three geometrical parameters, i.e. the sealing clearance, the hole-depth and the hole-diameter, the variation of hole-depth has weakest influence on the main flow field structures in the turbine stages.

honeycomb seal; turbine stage; aerodynamic performance; numerical simulation

2015-08-28。 作者簡介:陳秀秀(1990—),女,碩士生;晏鑫(通信作者),男,副教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51106122,51576151)。

時間:2016-01-29

10.7652/xjtuxb201604003

TK263.2

A

0253-987X(2016)04-0014-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160129.1205.004.html