汽輪機葉頂汽封間隙泄漏渦動特性研究*

(東北電力大學能源與動力工程學院 吉林省吉林市 132012)

在汽輪機中，由葉頂間隙導致的泄漏流動是一種不可避免的流動形態。葉頂汽封結構可有效降低泄漏現象，但同時由于結構復雜使間隙處的泄漏流體存在高強度的旋渦、分離流和射流等流動，引發的葉頂區域渦系的膨脹和渦動，增加了間隙泄漏渦的不穩定性[1]。如轉子偏心運行，泄漏渦引起的壓力脈動甚至可能誘發汽輪機失穩。因此，深入分析葉頂區域渦系流動形態、認識葉頂泄漏渦動的變化規律，對降低泄漏、提高汽輪機效率和抑制失穩、保證汽輪機安全都有重要的意義。

學者們針對葉頂泄漏的復雜流動進行了大量數值模擬和實驗研究[1-3]。李軍等人[4]對不同葉頂間隙的泄漏流進行數值模擬，研究葉頂間隙泄漏流的流動特性和渦系發展及其對動葉效率的影響，證明葉頂兩側的壓力是間隙泄漏渦產生的主要原因，間隙渦與主流的摻混損失是流動損失的重要組成部分。GIBONI等[5]將實驗與模擬結合起來，研究了1.5級軸流式汽輪機的泄漏流對主流和二次流的影響，揭示動葉片背弧泄漏渦的成因與發展。高杰等人[6-7]研究了渦輪第一級葉頂泄漏渦的破碎現象，探究泄漏渦的非定常破碎特性，發現泄漏渦破碎發生在葉片60%軸向弦長位置之后的逆壓區，并且間隙高度對泄漏渦的破碎位置有明顯影響。賈興運等[8-9]利用動網格技術捕捉了汽封齒邊界層與汽封主流場之間的相互作用，并針對不同的密封結構誘發的失穩現象進行了細致的研究。TALLMAN和LAKSHMINARAYANA[11-12]通過實驗與數值的方法研究了渦輪機葉頂間隙的三維流動，分析了葉頂間隙高度對間隙流動的影響。曹麗華、張炳文等[13-14]通過模擬汽輪機高壓級的動葉頂部葉頂泄漏流，分析了有圍帶和無圍帶的動葉頂部的間隙泄漏渦、通道渦形成和高低齒葉頂汽封泄漏流動，證明泄漏流和主流的混摻損失產生的熵增主要位于葉頂7%位置。

研究葉頂汽封內的渦系流動，關鍵在于分析渦系的變化和相互作用規律。只有充分地認識葉頂泄漏渦系變化的特征和規律，才能運用適當的間隙控制技術有效降低泄漏。鑒于此，本文作者應用計算流體力學商業軟件CFX，數值分析300MW汽輪機高壓缸動葉葉頂高低齒汽封內的三維流動，研究和討論葉頂汽封內的渦系結構組成、渦核的位置變化以及汽封腔室內穩定耗散渦的渦動規律。

1 計算模型與數值方法

文中以某300MW汽輪機高壓第二壓力級為研究對象，計算的物理模型由級內相應的靜葉、動葉和葉頂汽封區域構成，并延長靜葉進口和動葉出口流域。如圖1所示為動靜葉與汽封。計算域為整圈汽封的0.02π弧度，其周向邊界采用周期性完全匹配連接。動葉圍帶面設置為旋轉壁面邊界條件，進口給定總壓、總溫邊界，出口給定靜壓邊界，其他壁面為無滑移絕熱邊界。流動工質設定為高溫高壓的過熱蒸汽。

圖1 汽輪機級的模型網格Fig 1 Computation grid of stage in steam turbine

鑒于湍流模型對汽封腔室內汽流紊流運動的適用性，采用低雷諾數的湍流模型SSTκ-ω，并劃分六面體網格進行無關性檢驗，保證湍流模型所滿足y+值要求。圖2為汽封劃分結構塊及生成計算網格的示意圖，在狀態參數、速度梯度變化較大的汽封腔室、間隙及近壁面區劃分密集的網格，并在滿足計算精度的基礎上實現全局網格疏密的自然過渡。控制近壁面第一層網格的y+≤3，滿足湍流模型對近壁面網格尺度的要求。汽封采用計算網格數約為230萬，動葉模型中的網格數在280萬左右，而靜葉模型中網格數為210萬左右，因此，模型中動靜葉和汽封加起來網格數在720萬左右。

圖2 汽封網格示意圖Fig 2 Computation grid of tip labyrinth seal

為驗證計算湍流模型的正確性，采用進出口壓比為1.2、葉頂間隙為0.25 mm的實驗模型計算得到動葉表面沿葉高方向50%、80%、90%截面處的壓比pt,in/p，通過實驗測量值對數值模擬結果進行驗證，得到動葉表面壓比pt,in/p沿葉高分布，如圖3所示，其中橫坐標指動葉表面的相對位置(C為葉片的軸向長度(固定值)，X是軸向位置的坐標)。可以看出，吸力面處壓比差異較大，尤其在動葉尾緣處，但分布趨勢基本相同。由于實驗過程中存在不確定因素，偏差在允許范圍之內，因此可以認為模擬中模型的建立、算法選擇和邊界條件設定滿足需要。

圖3 動葉表面壓比分布Fig 3 Distribution of surface pressure ratio of rotor blade

2 結果及分析

2.1 汽封渦系結構分析

葉頂汽封被汽封高低齒和圍帶凸臺分成多個汽封腔室。圖4顯示的是汽封腔室內的速度和流線圖。可以看到，每個汽封腔室內均出現有彼此旋向相反的腔室渦和圍帶壁面渦，且兩渦的位置和影響范圍都是不同的。

圖4 汽封腔室內速度云圖和渦系分布Fig 4 Distribution of multi-vortex and velocity in labyrinth seal cavity

腔室渦的形成是由于汽流速度降低且與汽封齒壁面碰撞摩擦引起的，間隙射流撞擊凸臺(或汽封齒)壁面后形成的徑向速度分量為腔室渦的切向速度分量提供不間斷的動能，從而使腔室渦穩定耗散，堵塞通道，腔室渦是汽封腔室內主要的動能耗散形式。圍帶壁面渦分為2種，分別是齒前壁面渦和凸臺后壁面渦，位置如圖4所示。這2種渦的形成都與間隙汽流受到的科氏力有關，科氏力是汽流同時作軸向運動和圓周運動所產生的慣性力。齒前壁面渦是汽流加速通過汽封齒間隙時形成的。形成原因有二，一是由于汽封齒節流，間隙汽流瞬時無法全部進入汽封間隙內，導致一部分汽流在齒前抑流，在間隙射流提供的能量下，齒前壁面渦得以初步形成。二是汽流所受的科氏力增加了齒前壁面渦的渦核強度，使其以腔室渦的相反旋向耗散穩定。凸臺后壁面渦由流體堆積形成的。由于凸臺的設計符合后臺階的幾何形狀，導致湍流邊界層在凸臺后端的分離點處分離，在凸臺后又形成了小的順時針封閉回流區，同時汽流所受的科氏力會增加齒前壁面渦的渦核強度。這2個渦是固定存在著的，在腔室渦和汽封間隙射流的共同作用下圍帶壁面渦能維持一個準平衡狀態，渦結構較為穩定。

2.2 汽封渦渦核位置分析

渦核是指旋渦的核心區域，也是旋渦內部的渦量密集區。通過測定渦量、總壓損失和描繪流線的方法可檢測到渦核中心的位置。圖5所示是圍帶壁面渦渦核中心點的高度隨葉頂間隙變化關系，可以看出，隨著葉頂間隙的增加，汽封腔室圍帶壁面渦渦核中心點的高度是逐漸降低的，主要原因是葉頂間隙高度的增大，導致流經葉頂間隙泄漏量增加，射流在齒前攜帶更多的流體流經汽封齒，射流的速度變大，切向作用增強，圍帶壁面渦的旋度增強但是影響范圍減小，所以腔室內圍帶壁面渦的渦核中心點徑向高度均降低。腔室一和腔室三的渦屬于齒前壁面渦，可以看出，在葉頂間隙高度變化時，腔室三的齒前壁面渦渦核中心點高度始終大于腔室一齒前壁面渦渦核中心點的高度，這是由于后段汽封腔室內汽流速度增加，腔室渦和齒前壁面渦的相互作用增強，使渦核有所上升。

圖5 圍帶壁面渦渦核中心點徑向高度隨葉頂間隙的變化Fig 5 Variation of radial height of vortex core center in shroud-wall vortexes with tip clearance (a)tooth front wall vortex;(b)wall vortex after convex

腔室二和腔室四里是凸臺后壁面渦，腔室二中凸臺后壁面渦渦核中心點的徑向高度略大于腔室四中凸臺后壁面渦渦核中心點的高度。這是由于腔室四后即是最后一個汽封齒，間隙射流即將流到汽封出口，高速射流向下的抑制作用使腔室四凸臺后壁面渦的渦核中心點下移。

圖6所示是汽封腔室渦渦核中心點的高度隨葉頂間隙變化關系，可看出，隨著葉頂間隙高度的增加，汽封內各個腔室的腔室渦渦核中心點的徑向高度是隨之升高的。在不同葉頂間隙高度下，腔室二與腔室四的腔室渦渦核中心點高度均相差不大，腔室一的腔室渦渦核中心點高度始終高于腔室三，同時所高出的數值保持一致。泄漏流的徑向速度分量為腔室渦的切向速度分量提供不間斷的動能，由于間隙高度增加，泄漏流的徑向速度分量增加，從而使腔室內通道的堵塞區升高，形成的腔室渦渦核中心點的徑向高度升高。

圖6 不同葉頂腔室渦的渦核中心點 徑向高度隨葉頂間隙的變化Fig 6 Variation of radial height of vortex core center in different labyrinth seal cavity vortexes with tip clearance

2.3 汽封渦渦動特性分析

汽封腔室渦脈動的主因之一是動靜葉柵隨時間的相對變化，因此汽封腔室渦動頻率與動葉柵通道的特征頻率相關，動葉柵通道的特征頻率f(即動葉柵的高頻激振力)可用汽輪機的相關公式表示：

(1)

式中：n為轉子的轉速，r/min；Z為本級靜子的葉片數。

文中汽輪機的轉速是3 000 r/min，級的靜葉數為100片，因此動葉柵通道的特征頻率是5 000 Hz。

圖7是基于自相關函數的傅立葉變換得出的汽封腔室進口和出口的壓力頻譜圖。渦動的功率譜密度越高，說明渦系波動的能量越大，認為功率譜密度的峰值所對應的頻率是泄漏渦的渦動主頻率。圖7中汽封腔室進口的渦動主頻率基本等同于動葉柵通道的特征頻率5 000 Hz，而汽封腔室出口中的渦動主頻率2倍于動葉柵的特征頻率，且頻率成分中還有四倍頻等高頻分量。除此之外觀察發現，汽封腔室出口渦動主頻對應的功率譜密度更大，這說明汽輪機葉頂汽封腔室內泄漏渦的渦動規律會隨流動不斷發生變化。泄漏渦的壓力波動在汽封腔室的進口基本呈現周期性變化，而到了汽封腔室的出口，則逐漸表現為倍頻波動。從進口到出口，渦動更劇烈，不僅頻率增加，而且壓力波動的幅度也變大。

圖7 汽封進出、口腔室內壓力頻譜Fig 7 Pressure spectrum of inlet and outlet cavity in labyrinth seal

汽封出口腔室之所以呈現復雜的壓力波動，是因為出口腔室存在2個穩定耗散的渦，即腔室渦和圍帶壁面渦。圖8顯示了汽封出口的腔室渦和圍帶壁面渦的渦核中心點的壓力頻譜圖。可以看到，腔室渦和圍帶壁面渦都出現了2個功率譜密度峰值，且腔室渦兩峰值對應的頻率都大于圍帶壁面渦，說明汽封出口的腔室渦是一個相對高頻的渦動。此外，腔室渦的功率譜密度峰值也大于圍帶壁面渦，對比功率譜密度曲線所圍成的面積可知，圍帶壁面渦的總能量小于腔室渦。在2個渦的相互影響下，汽封出口腔室的壓力最終呈現出了高頻渦動。

圖8 汽封出口渦核中心處壓力頻譜Fig 8 Pressure spectrum of vortex core center in outlet cavity of labyrinth seal

圖9為葉頂汽封中間腔室渦核中心點壓力波動的頻譜圖。圖9(a)是腔室渦渦核的壓力波動頻譜圖，可見，4個腔室內腔室渦的渦動主頻率都比動葉柵的特征頻率高，且有隨流動逐漸增加的趨勢，腔室三中渦動的主頻大于腔室二、腔室一，等于動葉柵的特征頻率的2倍，而腔室四的渦動主頻又大于腔室三。除渦動主頻外，功率譜密度的波動幅度也隨流動逐漸增大，這說明在葉頂逐級布置的汽封腔室內，腔室渦的脈動效應會越來越大，越到后面的腔室渦動越劇烈。圖9(b)是圍帶壁面渦中心處的壓力頻譜圖，腔室一和腔室三內是齒前壁面渦，其渦動主頻很高，而腔室二和腔室四內是凸臺后壁面渦，其渦動頻率變化不大，這說明凸臺后壁面渦是一個相對穩定的渦，而齒前壁面渦由于受間隙射流以及腔室渦的影響，波動變化較劇烈。

圖9 汽封腔室渦中心處壓力頻譜Fig 9 Pressure spectrum of vortex core center in labyrinth seal cavity vortexes(a)cavity vortex;(b)shroud wall vortex

對比圖9(a)和圖9(b)可以看出，腔室渦和圍帶壁面渦的功率譜密度值W(i)大小在不同腔室內是交替變換的，i=1表示腔室渦，i=2為圍帶壁面渦。腔室一內，W(1)W(2)；腔室三內，W(1)W(2)，并在腔室三內，圍帶壁面渦主頻對應的W(2)值達到了最大峰值8.84 Pa2/Hz。由此看出，齒前壁面渦產生的壓力波動最為劇烈，是汽封腔室內最不穩定的一類渦動。

3 結論

(1)汽輪機高低齒葉頂汽封腔室內同時存在2種渦——腔室渦和圍帶壁面渦。間隙射流受到的科氏力是使圍帶壁面渦穩定耗散的重要因素。凸臺和凹臺效應使2種渦產生擾動，因此渦流擴散程度降低，流體動能損失增加，有效地降低了葉頂泄漏。

(2)隨著葉頂間隙高度的增加，汽封內各個腔室的圍帶壁面渦渦核中心點的徑向高度是降低的，而腔室渦渦核中心點的徑向高度隨之升高。

(3)汽封腔室內腔室渦和圍帶壁面渦的功率譜密度值在不同腔室內交替變換，齒前壁面渦產生的壓力波動最為劇烈，是汽封腔室內最不穩定的一類渦動。

(4)葉頂逐級布置的汽封腔室內，腔室渦的脈動效應會越來越大，汽封出口腔室內的壓力主要為高頻波動，且腔室渦中心點壓力的渦動能量大于圍帶壁面渦。