汽輪機斜孔腔蜂窩密封泄漏性能優化數值研究

付康民 高俊華

（1.國能綏中發電有限公司 2.秦皇島華宇通電力科技有限公司）

0 引言

環形氣體密封廣泛應用于壓縮機、航空發動機以及汽輪機行業，是控制泄漏和提高渦輪機械性能的最經濟有效的技術［1］。為了滿足渦輪機械的密封要求，采用了不同類型的環形氣體密封，包括迷宮密封、蜂窩密封、孔型阻尼密封、袋式阻尼密封和刷式密封［2］。迷宮密封由于其簡單、可靠和低成本而成為渦輪機械工業中最常用的密封，但已被證明會引起不穩定的振動和高泄漏率［3］。采用高溫合金焊接蜂窩密封代替迷宮密封在一些特殊場合消除了這些缺點，與傳統迷宮密封相比，蜂窩密封具有更高的有效直接阻尼、更低的交叉耦合剛度和更好的泄漏控制能力［4］。

隨著計算流體力學的發展，國內外研究人員通過數值模擬的方式對蜂窩密封泄漏特性做出了一定研究。周敏等研究了蜂窩芯格尺寸、軸向長度和進口預旋對密封性能的影響，發現隨著蜂窩密封孔深的增加，密封泄漏量先增加后減小，芯格內部旋渦狀態會影響密封效果［5］。向新等基于數值求解三維N-S 方程和標準k-ε湍流模型的方法，分析了壓比、密封間隙、轉速和蜂窩孔徑對迷宮蜂窩密封泄漏特性的影響，并于光滑面迷宮密封進行了對比［6］。孫丹等通過數值模擬和實驗的方式對光滑面蜂窩密封的泄漏特性進行了分析，研究表明：蜂窩結構參數主要是通過腔室內渦旋的發展以及排列密度來影響泄漏量的［7］。Young S J 等提出了一種混合蜂窩密封結構（MHS），將具有較小直徑的蜂窩單元插入到原有基蜂窩結構中，以減小有效間隙［8］。Wanfu Z 等研究了蜂窩密封孔腔排布方式對泄漏特性的影響，數值計算結果表明交錯孔蜂窩密封具有更好的泄漏特性和轉子動力學性能［9］。Wróblewski W 等給出了蜂窩密封計算模型和優化任務算法，目標函數為流量系數，對不同工作條件下的密封結構參數進行優化［10］。Szymański A 等將蜂窩結構重新設計為菱形的直蜂窩密封，通過重新定位菱形結構與轉子的距離使有效間隙最小化，最終泄漏性能提高了27%［11］。Y.Kang 等通過實驗和CFD 分析進行了參數化研究，發現泄漏性能與齒數和間隙成正比，與蜂窩直徑成反比［12］。A.Desando 等基于蜂窩密封高度、直徑、單元厚度進行了參數化研究，結果表明：蜂窩高度對泄漏性能影響不顯著，隨著蜂窩直徑增大，泄漏性能有所下降［13］。K. C.Nayak 等基于間隙和蜂窩直徑的變化，比較了直線型蜂窩密封與固體密封的泄漏性能，當間隙較小時，隨著蜂窩直徑增大，其泄漏性能較固體密封下降［14］。

本文通過引入軸向傾斜角參數，提出了一種中心軸線與軸軸線成夾角的新型斜孔蜂窩密封。使用計算流體力學軟件FLUENT 對比分析了蜂窩密封與傳統迷宮密封的泄漏性能以及軸向傾角對蜂窩密封泄漏特性的影響，并探討了軸向傾角對傾斜孔型蜂窩密封泄漏量的影響機理。

1 計算模型

1.1 數值計算方法

本文利用計算流體力學（CFD）分析方法對不同斜孔蜂窩密封的流場和泄漏特性進行了數值計算。當工況達到穩態時，斜孔蜂窩密封的泄漏率幾乎隨時間不變，其流動可視為三維穩態流動。RNG k-ε湍流模型具有可擴展的壁函數，用于近壁湍流處理，因為密封間隙小，并且與纏繞流道相關的幾何結構復雜，根據Fluent用戶指南，模擬中使用的湍流模型和近壁處理的選擇允許y+值大于11-30，小于100-200。本文計算模型中的y+平均值約為40，以最小的計算代價滿足結果的收斂質量和精度。采用有限體積法對控制方程進行離散，采用SIMPLE 法求解密封間隙內的壓力分布。當連續性方程、動量方程和湍流方程的收斂殘差均小于10-6時，同時合計進出口質量流量的相對誤差小于0.1%，判斷計算收斂。

1.2 模型及網格劃分

本文在傳統的直孔型蜂窩密封上，引入了軸向傾斜角α，分析不同傾角下的泄漏性能，同時與傳統的迷宮密封進行了對比分析，如圖1所示。

圖1 蜂窩密封與梳齒密封結構

使用六面體劃分網格，考慮到密封結構和密封間隙沿周向的對稱性，為了減少計算時間和保持計算精度，在周向上只選擇由相鄰兩排軸向蜂窩孔組成的單個循環作為計算域。為了消除進口和出口效應對密封間隙內流體流動的影響，在靠近進口和出口邊界處分別保留一段作為進口和出口延伸段，并對具有復雜流動的密封間隙網格進行加密。斜孔蜂窩密封網格劃分如圖2所示。

圖2 斜孔蜂窩密封網格劃分

1.3 邊界條件

本研究選擇可壓縮理想氣體作為工質。將轉子和定子表面建模為無滑移壁面和絕熱壁面，并將轉子的轉速應用于轉子表面。在研究不同參數下汽封系統的泄漏特性時，其他幾何參數和運行條件保持不變。數值計算中使用的斜孔蜂窩密封的幾何參數和工作條件如表1所示。

表1 幾何參數和工作條件

2 計算結果

圖3 為不同軸向傾角下迷宮密封和蜂窩密封的泄漏率情況，隨著軸向傾角的增大兩種密封的泄漏率均呈現逐漸增加的趨勢。可以看出，當軸向傾角α 小于90°時，迎風斜孔蜂窩密封的減漏效果優于迎風傾斜齒迷宮密封。隨著軸向傾角的減小，迎風斜孔蜂窩密封的泄漏率呈顯著下降趨勢，而迎風傾斜齒迷宮密封的泄漏率基本保持不變。當α 等于55°時，迎風斜孔蜂窩密封的泄漏率比α 等于90°時的直孔蜂窩密封泄漏率降低了23.5%，而在相同幾何參數下，迎風傾斜齒迷宮密封的泄漏率僅比直齒迎風傾斜齒迷宮密封降低了6%。

圖3 不同軸向傾角下迷宮密封和蜂窩密封的泄漏率

圖4 為不同軸向傾角的迷宮密封和蜂窩密封沿軸向中性面的靜壓分布，可以看出，兩種密封的靜壓均隨著軸向傾角的增大而逐漸減小，傳統迷宮密封在入口的前幾個腔室靜壓下降較少，主要集中在后幾個腔室，承擔了大部分節流耗散功能；蜂窩密封各個腔室的靜壓下降較為均勻，充分發揮了每個腔室的功能，各個腔內的耗散更強，減漏效果更好。

圖4 不同軸向傾角的迷宮密封和蜂窩密封沿軸向中性面的靜壓分布

腔內渦耗散較強是迎風傾斜蜂窩密封泄漏率顯著降低的主要原因。通過對不同軸向傾角下的三維流場、中性面流場和湍流動能耗散率的詳細分析，來研究迎風傾斜蜂窩密封的減漏機理。圖5 為三種不同軸向傾角的蜂窩密封單胞腔內三維流場。當α=125°時，背風傾斜的高壓射流在腔內形成兩個對稱且流線規則的渦，渦的耗散相對較弱。隨著軸向傾斜角的減小，渦形和流線逐漸紊亂，旋渦耗散效果增強。當α=55°時，腔內流動最紊亂，能大幅提高動能到熱能的轉換效率，泄漏控制能力最好。

圖5 不同軸向傾角的蜂窩密封單胞腔內三維流場

圖6 為不同軸向傾角的蜂窩密封中性面湍流動能耗散率分布情況，隨著軸向傾角的減小，孔壁與鄰近孔腔出口的定子表面之間的夾角變得更尖銳，靠近空腔出口的流速逐漸增大，有助于增強流體的湍流強度，這意味著在空腔出口有更多的湍流動能轉化為熱能。

圖6 不同軸向傾角的蜂窩密封中性面湍流動能耗散率分布

圖7 為不同軸向傾角的蜂窩密封中性面流場分布情況，當軸向傾角為鈍角時，空腔區域內的流速相對較小，而相鄰兩排空腔之間的流速在軸向上相對較大，在每個空腔入口和出口附近形成兩個高速區。隨著軸向傾角的減小，高速區的范圍和強度迅速減小，導致泄漏率減小；當軸向傾角為銳角時，在孔腔邊緣兩側對稱形成兩個大面積橢圓低速區，隨著軸向傾斜角的進一步減小，低速區范圍和強度逐漸增大，其中心位置逐漸向腔體出口側移動。

圖7 不同軸向傾角的蜂窩密封中性面流場分布

可以看出，高速和中速區的流線更為規則，流動方向基本沿軸向。低速區附近和內部的流線更加混亂，流動方向偏轉，導致軸向速度分量較小。考慮到泄漏率與流體軸向速度分量之間的直接線性關系，可以認為低速區流速值小和流動方向的改變是迎風傾斜蜂窩密封泄漏量明顯減少的直接原因。

3 結束語

本文通過引入軸向傾斜角參數，提出了一種中心軸線與轉軸軸線成一定角度的傾斜孔型蜂窩密封，并用數值模擬手段分析了軸向傾角參數對泄漏率的影響，得到如下結論：（1）迎風傾斜孔型蜂窩密封與直孔型和斜齒迷宮密封相比，泄漏率有望顯著降低，這主要與腔室內靜壓分布有關，均勻的靜壓下降幅度能夠充分利用各腔室的耗散能力，減少泄漏。（2）隨著軸向傾角的減小，傾斜孔型蜂窩密封單個腔室內流場變得更加紊亂，湍流動能耗散率增強，大幅提高動能到熱能的轉換效率，泄漏控制能力更好。（3）蜂窩密封中性面流場中的低速區范圍大和流動方向的改變是傾斜蜂窩密封泄漏量明顯減少的直接原因，通過調整傾角大小來擴大中性面低速區范圍，有望進一步減少密封泄漏。