汽封對汽輪機通流氣動性能影響的數值研究

申連洋

（海裝沈陽局駐哈爾濱地區第二軍事代表室，哈爾濱150046）

0 引 言

汽封結構廣泛應用于汽輪機的動靜交接處，汽封的主要作用是防止軸向漏氣。迷宮型汽封為傳統的密封結構，一般由高低齒排列和葉輪、圍帶凸臺形成封閉迷宮通道。迷宮型汽封結構相對簡單且成本低，是汽輪機中常用的密封裝置，其密封原理是：密封齒與轉子間形成一系列節流間隙和膨脹空腔，當泄漏流體流經節流間隙時，部分壓力能轉化為速度能，該速度能隨即在膨脹空腔中由于湍流漩渦耗散為熱能而不能恢復為壓力能，這樣使通過的流體產生節流與熱力學效應，泄漏流體的壓力逐漸降低而達到密封效果[1]。在迷宮汽封長期使用后，汽封徑向間隙會增加，而且由于轉子偏心或振動的原因，迷宮汽封齒會與轉子接觸并產生摩擦，長期運行會導致轉子產生微裂紋而有發生斷裂的危險。蜂窩汽封是目前比較先進的汽封結構，由許多蜂窩孔組成。蜂窩型汽封是一種可磨耗的先進密封結構，由高溫合金密封與背板組成，通過高溫真空釬焊連接，主要應用于航空發動機、燃氣輪機、汽輪機和其他機械的軸封、葉頂間隙。蜂窩型汽封具有無數個六邊形的蜂窩孔狀的芯格結構，由于一般蜂窩型汽封的材料質地較軟，具有較好的可磨性[2]。

國內高校及汽輪機制造商已對汽輪機汽封展開了大量學術和工程研究。西安交通大學謝永慧等[3]基于三維黏性可壓縮N-S方程對某汽輪機調節級進行了全三維數值模擬，考慮了有汽封條件下的不同進汽度的葉片通流性能。華北電力大學韓中合等[4]利用數值模擬的方法研究了汽輪機光軸直齒與斜齒兩種結構的迷宮式汽封內部流場，得出了汽封內部流動特性和漏汽量隨相對齒間距和齒傾斜角度的變化規律。在汽封段軸向尺寸一定和相同的流動參數下，齒數和傾角存在最佳范圍，可最大程度地降低迷宮式汽封的漏汽量。上海電氣楊建道等[5]對某600 MW改造機組的末三級葉片優選中，針對兩種汽封進行了CFD分析，設計了與葉片相匹配的對齒迷宮式汽封。東方汽輪機田朝陽等[6]對刷式汽封和傳統迷宮汽封進行性能對比試驗，試驗結果表明，刷式汽封漏氣量較小，性能較好，但對制造加工工藝要求較高。

本文主要采用數值計算的方法，計算精度要求較高，因此采用NUMECA軟件非常合適，可以充分發揮其內存用量少、計算速度快、求解精度高的優勢。本文重點研究兩種形式汽封（蜂窩式汽封和傳統迷宮汽封）在不同徑向間隙條件下運行時的氣動性能，主要考察氣動效率、軸向推力和泄漏量，以期為后續的汽封設計選型與結構優化提供指導。

1 數值計算分析

本次計算只考慮葉頂汽封對通流性能的影響，所以在建模時只有單級葉片和動葉葉頂汽封。圖1為迷宮汽封模型，在計算過程中，分別改變了汽封的徑向間隙，從0.2、0.4 mm遞增到2.0 mm。圖2為蜂窩汽封模型，其孔深為6 mm，孔寬為6 mm，分別改變徑向間隙，從0.2 mm、0.4 mm遞增到1.2 mm。

圖1 迷宮汽封模型

圖2 蜂窩汽封模型

本文采用NUMECA的AutoGrid生成網格，經過網格無關性驗證后，網格數量控制在300萬左右。數值計算是在NUMECA下的Fine/Turbo中進行的。計算過程中使用Condensable Flow，通過對水蒸氣插值，能夠準確地求解出水蒸氣的熱力參數。數值計算邊界條件給定如下：進口總壓2.7503 MPa、總溫775.87 K，出口靜壓1.7941 MPa。工作轉速3000 r/min。在NUMECA求解器中設定CFL數為1，其余保持默認不變。本研究的所有計算均采用Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型。S-A模型目前已在葉輪機計算中獲得廣泛應用。對于本研究涉及的計算，適宜采用S-A模型。

1.1 效率分析

圖3所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的效率隨徑向間隙變化曲線。由圖3可以看出，隨著徑向間隙從0.2 mm增加到2.0 mm，迷宮汽封和蜂窩汽封的通流效率都在降低。而且在小間隙范圍內（0.2～0.6 mm），蜂窩汽封的效率比較高，隨著徑向間隙增大（0.6～2.0 mm），迷宮汽封逐漸占據優勢。因此在實際工程應用中，可以將蜂窩汽封間隙尺寸設置得非常小，以充分利用其較好的耐磨性。

1.2 軸向推力分析

圖4所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的軸向推力隨徑向間隙變化曲線。由圖4可以看到，隨著徑向間隙的增加，動葉片受到的軸向推力逐漸減小。當迷宮汽封間隙從0.2 mm增加到2.0 mm時，軸向推力從26 kN降低至約24 kN；蜂窩汽封間隙從0.2 mm增加到1.2 mm時，軸向推力從26 kN降低至約235 kN。這主要是因為間隙增大后，氣流在葉頂汽封中有了更大的膨脹空間，減小了氣流對圍帶凸臺的作用力。而且通流面積增加后，作用于動葉片的氣流減少，因此造成動葉片受到的軸向推力減小。另外，同樣在1.2 mm 的間 隙下，蜂窩 汽封 條件 下葉 片受 到的 軸向 推力 更小。因此應用蜂窩汽封可以更大幅度地降低葉片的軸向推力。

圖3 效率隨徑向間隙變化曲線

圖4 軸向推力曲線

1.3 流量分析

圖5所示為迷宮汽封和蜂窩汽封的泄漏量隨徑向間隙變化曲線。由圖5可見，徑向間隙愈大，泄漏量愈大。這是因為間隙增大后，整級的通流面積會相應增加，因此汽封泄漏量增加。從迷宮汽封和蜂窩汽封的變化曲線可以看出，在小間隙下（0.2～0.7 mm），蜂窩汽封的泄漏量比迷宮汽封小，隨著間隙增大（0.7～2.0 mm），兩種汽封的泄漏量都會增加，并且蜂窩式汽封梯度高于迷宮式汽封。這是因為兩種汽封的密封原理不同：迷宮汽封通過汽封齒和凸臺形成的空腔使氣流在其中膨脹，將動能轉化為熱能來減小泄漏；蜂窩汽封則通過圍帶與蜂窩孔間的氣膜壓力來阻止流體泄漏。當增大間隙后，氣膜壓力會急速下降，從而增大了泄漏損失。因此蜂窩汽封適合小間隙。

圖6所示為動葉流量隨徑向間隙變化曲線，由圖可以看到，間隙由0.2 mm增加到2.0 mm，迷宮汽封和蜂窩汽封情況下通過動葉的蒸汽流量逐漸減小。這是因為隨著間隙增大，通過汽封的流量增加，減少了動葉流量，使做功減少。當間隙小于0.8 mm時，蜂窩汽封動葉的流量比迷宮汽封大，當間隙大于0.8 mm時，蜂窩汽封動葉的流量比迷宮汽封小。即小間隙下，蜂窩汽封做功量大。

2 結 論

綜上，本文通過全三維CFD數值計算的方法，研究了兩種形式汽封（蜂窩式汽封和傳統迷宮汽封）在不同徑向間隙條件下運行時的氣動性能（主要包括氣動效率、軸向推力和泄漏量），以期為后續的汽封設計選型與結構優化提供指導。基于前述的計算結果對比和分析，本文得到如下結論：1）隨著汽封徑向間隙尺寸從0.2 mm增加到2.0 mm，在蜂窩汽封和迷宮汽封兩種條件下，參數變化的大體趨勢是一致的：級效率逐漸降低，軸向推力逐漸減小，葉頂汽封泄漏量逐漸增加，動葉流量降低。2）在小間隙尺寸范圍內，蜂窩汽封的氣動性能優于迷宮汽封，隨著間隙尺寸的增加，迷宮汽封逐漸占據優勢。在后續的設計中，可根據具體情況選擇適用的汽封形式。

圖5 汽封泄漏量曲線

圖6 動葉流量隨間隙變化曲線