汽輪機軸封內復雜流動環境下密封性的仿真研究

趙龍廣， 陳文婷, 張修清

(1.河南京能滑州熱電有限責任公司，安陽 456400；2.漢嘉設計集團股份有限公司山東分公司，濟南 250000;3.遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001)

0 引 言

汽輪機是火力發電廠的三大設備之一，汽輪機效率直接決定整個火力發電廠機組的總效率[1]。汽輪機效率也間接地決定了整個火力發電機組的煤耗，其中汽輪機組汽封漏氣造成的損失至少占整個汽輪機總效率損失的40%，與此同時，汽輪機組漏氣還會引起動靜葉片間距突變、主軸應力集中的安全問題[2]。因此，汽輪機在進行設計，需要采取有效措施來防止汽封漏汽現象，以降低因蒸汽泄漏帶來的經濟損失和安全問題。

軸封汽封(軸封)作為減少汽封漏氣應用的主要形式之一，其作用是減少轉子兩端在穿過汽缸部位時引起的漏汽，梳齒型汽封是當前汽輪機軸封系統中使用最為常見的汽封結構，其兼具結構簡單、生產成本低和易磨損、漏氣量大等的優缺點[3]。為優化梳齒型軸封的易磨損、漏氣量大的缺點，各研究機構和生產廠家陸續推出了蜂窩汽封、布萊登汽封、刷式汽封、J型汽封等結構[4]。

對于汽封設計過程中的密封性及安全性主要采取實驗法和仿真法進行結合使用，在實驗測試密封性方面中，Bohn等人[5]通過在單級試驗臺上測量軸封結構的周向壓力分布和密封效率性能，比較分析了軸向間隙和徑向間隙的密封性能。Balasu等人[6]利用1.5 MW級試驗臺對高、低壓軸封密封進行了研究，采用粒子圖像測速技術對軸封的流動進行了可視化處理，并利用非定常壓力傳感器測量了壓力的周期性。Palafox等人[7]建造了一個實際軸封試驗臺，通過測量CO2濃度來研究軸封密封效果。

在數值仿真方面數值模擬研究基本都采用雷諾平均Navier-Stokes模型(RANS)來研究軸封內復雜流動的穩定現象，以提高設計軸封密封性能[8-12]。非定常雷諾平均Navier-Stokes(URANS)模型可以有效地模擬汽輪機軸封內密封流動，因為該模型能夠模擬軸封齒與軸在旋轉過程中的位置的相對變化。近年來，許多研究采用了非定常數值模擬(URANS)[13-15]和大渦模擬(LES)模型[16]；與RANS結果比較，非定常數值仿真結果與實驗測量結果更為接近。然而，LES模型需要大量的計算資源，但該模型的計算結果接近于URANS模型仿真結果。通過實驗與仿真結果的對比研究，非定常數值模擬方法提高了對軸封內部蒸汽流動的認識水平，成為提高軸封優化設計的指導方針。

性能優異的軸封結構可顯著減少汽輪機軸封漏氣，間接的減少化石能源消耗，進一步助力火力發電行業雙碳目標的實現。本文以汽輪機軸封內非定常流動特性的實際認識為目標，在保證汽封與轉子發生碰磨時能進行及時后退調整，達到減少漏汽量的效果，實現提高汽輪機組效率的目的。研究了不同轉速下汽輪機軸封內的流動狀態和性能。

1 模型建立及初始條件設置

本仿真模型采用梳齒型汽輪機軸封結構，選取一單元梳齒型軸封為研究對象，對該單位結構的軸封進行二維建模并開展數值計算。

1.1 物理模型

梳齒型軸封為對稱結構，物理模型在建立時選用二維軸對稱結構進行汽封汽室內部蒸汽流動的仿真模擬。汽封計算域的幾何模型如圖1所示，基本尺寸參數見表1。

表1 軸封結構尺寸參數

圖1 二維物理模型

軸封系統中存在細長結構的梳齒，需采用三角形單元的非結構網格，該網格類型具有結構簡單、構造容易、計算方便、占用內存小，對復雜幾何形狀的適應性強，所建立的二維軸封物理模型網格數量74萬，網格圖如圖2所示。

圖2 二維計算模型網格圖

旋轉計算域由3個凸軸組成，靜止區域由4個高梳齒和3個低梳齒組成，如圖1所示。在非定常數值模擬中，設置4個高梳齒和3個低梳齒與凸軸之間的區域作為模擬區域，將葉片和邊緣密封內腔設置為靜域，旋轉葉片設置為旋轉域。對于靜止域和旋轉域的交界面，采用了瞬態轉子-定子(滑動網格)模型。對主流進口施加總壓邊界條件，對主流出口施加質量流量邊界條件。圖2顯示了靜止域和旋轉域的計算網格。

1.2 數學模型

考慮軸封進出口周圍存在脈動，由于k-ωSST湍流模型比gamma-Re模型的仿真結果更接近實驗值，因此采用了k-ωSST湍流模型對其進行求解。基于軸封流動的特性，靠近壁面的邊界層流動主要是層流和湍流的過渡，采用k-ωSST模型是k-ω和k-ε湍流模型的結合。在粘性底層中，采用k-ω模型，外區采用k-ε湍流模型。利用混合函數對兩種模型的區域進行分割。質量、動量、能量和物質的守恒方程如下所示。

(1)

(2)

?·(λ?T)+?·(U·τ)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，τ和htot分別為應變張量和總焓。

1.3 邊界條件設置

計算模型邊界條件數值參照300 MW汽輪機軸封的蒸汽參數，詳細仿真數值和邊界條件見表2。仿真過程中壁面均設置成固定、無滑移的邊界條件。由于其結構及內部流場的復雜性，本文只討論在給定幾何形狀下，在不同邊界條件下其內部出場的情況。

表2 實驗和數值模擬的操作條件

2 結果與討論

2.1 數值結果及分析

圖3和4分別為軸封入口壓力為0.045 MPa，梳齒與凸軸間隙0.08 mm，出口為質量流量條件下軸封內的壓力云圖和速度云圖。由圖3可知，從入口到出口，軸封汽室內的壓力逐漸降低，由速度云圖可知，在每個汽室內，蒸汽速度變化不大，但都在梳齒與軸間隙處速度最大。

圖3 汽輪機軸封壓力云圖

從上述現象可以看出：蒸汽通過汽封片時會產生節流作用，所以蒸汽通過梳齒時會使蒸汽速度迅速升高，但是經過梳齒之后，由于汽室空間突然增大，蒸汽速度又降低，而由于結構上的原因使蒸汽流體向上旋轉，產生環形汽室和氣流回旋渦流。蒸汽通過渦流在環形汽室中不斷碰撞和摩擦，其間蒸汽本身的速度逐漸變為內能，從而在通過各個汽室時周而復始地實現機械密封。由速度云圖可以看出，此結構尺寸下的速度云圖中渦流現象并不明顯，因此，需微調節軸封齒結構或者改變軸封進汽狀態。

圖4 汽輪機軸封速度云圖

2.2 提高入、出口蒸汽壓力

在上述仿真的基礎上，提高軸封入口蒸汽壓力，入口蒸汽壓力為0.078 MPa，圖5和6為計算生成壓力云圖和速度云圖，通過提高軸封入口壓力，蒸汽入口處前1～2個高低齒間壓力降低較大，并且在梳齒尖端出現渦流，渦流尺寸增大，擾動增大，各梳齒之間壓降明顯，更能提高軸封密封性能。

圖5 軸封內壓力云圖(入口壓力0.078 MPa)

圖6 蒸汽壓力速度云圖(入口壓力0.078 MPa)

為了驗證在軸封結構不變，提高入口蒸汽壓力可以改善軸封效果，將入口蒸汽壓力提高至0.096 MPa，圖7、8為仿真計算后的壓力云圖和速度云圖。軸封入口進口壓力的進一步提高，軸封內部擾動更加劇烈，每個梳齒腔體之間充滿大渦流蒸汽，擾動促使蒸汽速度降低明顯，實現較好的軸封密封性，但是在軸封出口壓力也增加，相應的軸封冷卻水增大，熱損耗也增大，效率相應降低。

圖7 軸封內壓力云圖(入口壓力0.096 MPa)

圖8 蒸汽壓力速度云圖(入口壓力0.096 MPa)

2.3 減少梳齒與凸軸間隙

由圖9、10為降低梳齒與凸軸間隙，使間隙減小到0.05 mm，入口蒸汽壓力為0.096 MPa，與單純調節蒸汽入口壓力相比，軸封汽室內的壓力降低更為顯著，但從出口壓力云圖和速度云圖來看，在提高進口蒸汽壓力提高擾動時，在減小梳齒與凸軸間隙時，促使出口處壓力、流速過大，造成出口排量，增加損耗。與原始工況下不同的是，間隙縮短0.03，汽輪機軸封入口值不變時，軸封內的渦流現象越明顯，節流情況越顯著，其機械密封效果越好。

圖9 軸封內壓力云圖(入口壓力0.096 MPa、間隙0.05 mm)

圖10 蒸汽壓力速度云圖(入口壓力0.096 MPa、間隙0.05 mm)

3 結束語

利用ANSYS仿真軟件的非定常雷諾平均Navier-Stokes(URANS)模型對自主設計的軸封系統內流場、壓力場進行預測，通過計算局部壓力和速度，研究了軸封內蒸汽流動特性和軸封密封性能，主要結論如下：

(1)通過仿真可以觀察到軸封入口出前1～3個梳齒高低齒之間壓力降更明顯，高低齒之間流道的壓力和密封效果的周期性變化。

(2)在單流道中，單個梳齒沿周向的壓力分布是不對稱的，壓力分布低于齒尖頂端壓力，但在周向的密封效果是均勻的。

(3)在有限的軸封入口壓力下，降低部分梳齒與凸軸的間隙，可以有效增加汽封腔體內的汽流擾動，改善軸封密封性能。