迷宫密封通道内流动特性数值仿真

郭兆元, 张嘉禾, 万荣华, 贾 锐, 杨 燕



迷宫密封通道内流动特性数值仿真

郭兆元, 张嘉禾, 万荣华, 贾 锐, 杨 燕

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了掌握汽轮机非接触式迷宫密封的漏泄特性进而指导工程设计, 采用CFD方法对不同工况下, 不同结构尺寸的阶梯式和直通式密封通道内的流动特性进行数值仿真, 并对漏泄特性进行了详细分析。仿真结果表明, 减小压比和间隙尺寸、增加节流数、减小腔室梯形腰与轴的夹角可有效降低蒸汽漏泄量, 而漏泄量对旋转轴转速不敏感。

汽轮机; 迷宫密封; 漏泄量; 数值仿真

0 引言

由于小功率汽轮机常处于高温高速等特殊工作环境, 因此对其密封要求较高, 尤其是密封线速度超过一定数值后, 研制难度大幅度提高。非接触式密封不受线速度的限制, 是一种较好的替代方案。目前, 透平机械应用的非接触式动密封装置包括迷宫密封、蜂窝密封和刷式密封, 以及新近研发的指式密封和叶片式密封。其中, 刷式密封是接触式零间隙密封, 密封效果好, 主要应用于透平机械的轴封, 但是对轴的表面有特殊要求。蜂窝密封是一种密封效果优良的可磨耗密封结构, 由高温合金蜂窝与背板组成[1-2]。在航空领域内高转速情况下, 主要以非接触性密封为主, 为了解决非接触式密封在启动过程中或低转速时密封效果下降的问题, 也有采用接触式密封和非接触式密封共用的结构, 在低转速或启动时采用接触式密封, 高转速时采用非接触式密封。

迷宫密封是透平机械尤其是发电用汽轮机中最常用的传统非接触式密封, 其密封原理是通过多次节流膨胀产生阻尼效果, 减少蒸汽沿轴向漏泄, 但由于齿间是环形腔室, 环向流动大大减少了涡流降速的效果, 因而漏泄量较大。它被做成各种形状的曲折通道, 依靠节流间隙中的节流过程和空腔中的动能耗散过程来实现密封。这2个流动过程中的能量损失决定了其密封性能, 而迷宫密封内部的能量耗散作用受到迷宫结构、迷宫间隙、密封条件的影响[3-5]。通过研究迷宫密封内部的流动本质, 掌握在不同结构、不同迷宫间隙、不同工作条件下的流动规律和特点, 可充分发挥湍流流动的能量耗散作用, 提高密封效率。

本文采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对不同结构、不同间隙、不同工作条件下的非接触式密封内流动规律、特点以及漏泄特性进行分析。

1 计算方法

1.1 迷宫密封工况

为了研究压比变化时迷宫密封特性的变化规律, 采用数值计算方法仿真5种不同进口总压工况条件下密封参数, 结构形式选定为阶梯式。同时仿真10个转速下的密封情况, 密封结构如图1中的阶梯式密封形式。

图1 计算域及计算边界条件示意图

为了深入探究, 对密封腔进行简化, 选用直通式密封结构即内轴为无阶梯的平轴, 直通式密封原理和阶梯式密封原理是近似的, 该原理可外推到阶梯式密封结构的设计中。图2给出了计算所采用的直通式非接触式密封结构。

图2 直通式密封结构示意图

1.2 模型网格与方法

1) 计算模型

迷宫密封计算域与计算边界条件如图1所示, 将迷宫密封通流部分截面绕转轴旋转5°, 形成一个小薄层, 薄层的上下端面设置为旋转周期对称边界条件形式, 以减少总体计算网格, 节约内存空间和计算时间, 用于加密局部流动比较复杂的区域, 获得更加详细的流动信息。

2) 计算网格

利用ANSYS ICEM网格生成器生成计算网格, 首先形成2D网格, 然后通过旋转获得3D网格。假设迷宫腔内的流动沿圆周方向是均匀的, 因此圆周方向上的网格计算量较小, 共取5个网格层, 整个网格为六面体结构化网格。为了提高网格质量, 沿固壁方向采用了O型网格, 同时在壁面处进行了网格加密以捕捉壁面处、节流处边界层和流动细节, 并保证第1个网格单元中心到壁面的距离在0.002 mm以内。图3给出了计算域整体网格与局部网格, 图3(a)为阶梯式密封网格, 图3(b)为直通式密封网格。

图3 计算网格

3) 求解方法

2 计算结果与分析

漏泄量是本次数值计算研究所关注的一个重要参数, 为了便于计算和比较, 文中的漏泄量是指在给定的结构参数和工况条件下, 汽轮机运行一定时间内从密封流出的蒸汽无量纲总量。

2.1 压比对密封的影响

非接触式密封的原理是通过增强附面层流动、漩涡强度、射流强度等方法提高密封腔内流体的摩擦损失, 将密封腔两侧的压能转变为动能, 通过流体摩擦将动能转化为热能, 进而形成压阻来密封高压侧的流体向低压侧漏泄。

图4所示为密封腔两侧压力等值线分布, 其中流动方向为从右向左, 经过第1个节流处大致产生0.03 MPa的压阻。结合图5即密封腔室内矢量云图可看出, 流体在节流处被加速, 流过节流处后形成射流进入腔室, 在腔室内高速射流与低速流体摩擦和掺混, 速度逐步减小, 到下一个节流处再次加速; 同时在腔室内形成一个较大的顺时针漩涡, 该漩涡的强度与射流速度有关, 射流速度越高, 漩涡强度越大, 漩涡强度对流体的摩擦损失有较大的影响, 漩涡强度越大, 摩擦损失也越大, 压阻也就越大, 密封效果也就越好。

图4 密封腔内压力等值线分布

图5 密封腔内速度矢量图

流体经过节流处将部分压能转换为动能, 在密封腔内由于射流、漩涡、附面层等相互作用将一部分动能转换成内能, 而这部分内能在下一个节流处无法恢复到上一个节流处的压力, 这两个压力差就是一个密封腔室与一个节流处形成的压阻。靠近入口位置密封腔两侧的压差并不大, 但由于压力逐渐提高, 沿着流动方向, 密封腔两侧的压差逐渐增大, 节流压阻也增大。与压阻较密切的一个气动参数是蒸汽流动速度, 沿着流动方向流动速度增大, 流体的动能相差更大, 假定动能损失系数相同, 动能损失的绝对值就有较大差别。在沿流动方向流体速度增大, 每个密封腔内的动能损失量增大, 每个密封腔的压阻也增大。

在密封结构、间隙尺寸以及出口背压、主轴转速不变的情况下, 改变进口总压其实是重新建立流动平衡, 各个密封腔和节流处的流动参数重新分配形成新的压阻来密封高压侧气体向低压侧无节制的流动。结合图6可知, 蒸汽速度增加时必然会导致密封通道的蒸汽漏泄量增加, 漏泄量与密封通道入口总压近似成线性关系, 这可能是由于附面层比较薄, 对漏泄量影响比较小。

图6 漏泄量随密封通道入口总压的变化曲线

2.2 间隙尺寸对密封的影响

间隙尺寸是迷宫密封的一个重要结构参数, 它对迷宫漏泄量起决定性作用。3种不同的间隙尺寸下, 进出口蒸汽参数变化较大, 间隙尺寸越大, 进出口面速度、马赫数数值也就越大。结合图7可知, 间隙尺寸的改变对密封腔内流动影响不大, 而对节流处流动影响较大, 从图中可以看出, 随着间隙的增大, 节流处速度附面层分布较明显。当间隙小到一定程度后, 主流蒸汽对附面层的冲击和拉拽作用使速度边界层变薄, 整个节流面的速度也相应降低, 通过节流处的流量也随之降低一些; 虽然当间隙增大时, 节流处速度边界层较为明显, 同时厚度也增大, 而蒸汽的主流速度受速度边界层的干扰减弱, 节流处平均速度提高, 通过节流处蒸汽流量增加即漏泄量增大。

图7 节流处矢量分布

图8给出了密封通道漏泄量随密封通道间隙尺寸的变化曲线, 可以看出, 当间隙尺寸增大时, 漏泄量总体上是增大的, 几乎呈线性关系, 减小间隙尺寸可有效降低密封的蒸汽漏泄量。

2.3 腔室形状对密封的影响

直通式迷宫密封结构简单, 加工安装容易, 本节主要对直通式密封腔室梯形腰夹角对密封效果的影响进行讨论。图9给出了密封通道内漏泄量随轴线与腔室梯形腰夹角的变化, 从图中可看出, 随着夹角的减小, 蒸汽的漏泄量逐步降低, 在等腰梯形改变为等腰三角形之前, 夹角的减小和漏泄量的减小成线性关系; 当腔室的形状改变为等腰三角形时, 腔室内的流动结构得到了重组, 更有利于提高漏泄控制能力, 使漏泄量迅速下降, 具体原因可通过腔室内的流场细节分析得到。

图8 漏泄量随间隙尺寸的变化曲线

图9 漏泄量随轴线与腔室梯形腰夹角的变化曲线

根据图10可知, 当夹角较大时, 腔室内不仅有1个大漩涡产生, 同时在梯形的2个角上有1对反向涡, 当夹角减小时, 这对涡的距离逐渐减小; 当等腰梯形变为等腰三角形时, 这对反向涡汇聚到一起形成了一个强度较大, 与大漩涡旋向相反的漩涡。主流蒸汽带动大漩涡旋转运动, 并为漩涡运动提供动力和能量, 最终被漩涡内部蒸汽的相互摩擦转变为热能。同时结合图11可知, 在密封腔室内, 蒸汽湍动能最大处主要是蒸汽流出节流处和蒸汽汇集节流处的地方, 当夹角增大时, 湍动能数值也增大, 当夹角为90°, 蒸汽汇集节流处时该值最大达到6 000 m2/s2、流出节流处时该值最大达到2 500 m2/s2。随着夹角不断减小, 汇集节流处的湍动能最大值也在减小, 流出节流处的湍动能最大值增大, 而湍动能的变化梯度变小, 高湍动能的区域面积变大。夹角减小时, 漏泄量逐渐减小, 而腔室中主涡区以及剪切层的湍流动能值逐渐增大; 随着夹角的减小, 腔室形状的变化越来越有利于形成涡流, 且与主流质量、动量、能量交换加强, 流动损失增加, 密封效果增强。这说明随着夹角的减小, 蒸汽的湍动能增加并通过摩擦作用将动能转化为热能; 当夹角变为63.4°时, 一方面该角度更有利于大漩涡强度的增加, 湍动能增大, 另一方面顶部的漩涡强度因为2个反向涡的合并变强, 该处的湍动能也在增加, 因此损失较大, 压阻也较大, 密封漏泄控制能力也有了进一步的提高。

图10 密封通道内速度矢量分布

图11 腔室梯形腰夹角不同时密封通道内湍动能等值线分布

2.4 节流数对密封的影响

从对密封腔室内的流动细节以及流动损失分析可知, 蒸汽流动损失主要集中在节流处附近, 也就是说大部分动能在节流处附近, 通过摩擦等方式转化为热能。从图12可看出, 漏泄量随着节流数增加而减小, 节流数为6~8时漏泄量变化较陡, 8~10时漏泄量变化较缓, 当节流数增加到一定程度后对漏泄量影响不大。结合图13可知, 节流数减小时, 密封通道内的湍动能值有所上升, 同时高湍动能区域也在变大, 每个节流腔内的损失增加, 每个腔室承担的压降增加, 压阻也增大, 但是腔室内流动损失的增加没有因节流数减小造成的流动损失减小多, 因此整个密封通道内损失降低, 压阻降低, 流动畅通, 漏泄量也增加。

图12 漏泄量随节流数的变化曲线

图13 节流数不同时密封通道内湍动能等值线分布

2.5 转速对密封的影响

主轴转速也是非接触式密封设计时所必须考虑的因素之一, 一方面, 转速影响密封通道内流体的流动状况, 另一方面, 转速决定着密封转子的动力学特性, 而转子的动力学特性对密封间隙的选择起到关键性作用。由于粘性的作用, 蒸汽具有周向分速度, 如果把沿轴向运动的蒸汽称为主流, 那么就可以把沿周向运动的流体称为二次流, 相对于沿轴向漏泄的主流来说, 周向运动的二次流会通过粘性的作用阻挡主流的流动, 也就是说, 主流要克服二次对其的剪切力就必须要消耗一部分动能, 这部分动能会转换为蒸汽的热能, 因此转子的周向运动会增加压阻, 减小漏泄量, 提高密封效果。

从图14可知, 转速增大时, 经密封通道的蒸汽漏泄量总体上是下降的, 但下降得较缓慢。随着转速的增加, 漏泄量变化呈逐渐增大的趋势。

3 结论

应用CFD方法对小功率汽轮机轴非接触式密封进行了数值计算, 并对压比、间隙尺寸、转速、腔室形状、节流数等对密封效果的影响进行了深入研究和分析, 得出如下结论。

图14 漏泄量随转速的变化分布

1) 在给定密封结构和尺寸下, 出口背压一定时, 漏泄量与进口总压近似呈线性关系, 减小进口总压可有效降低蒸汽漏泄量;

2) 在其他密封结构不变以及工况条件一定的情况下, 密封漏泄量与间隙尺寸近似呈线性关系, 减小密封间隙可有效降低蒸汽的漏泄量, 提高密封效果;

3) 在工况条件不变的情况下, 减小轴线与腔室梯形腰夹角可有效提高漏泄控制能力;

4) 在工况条件不变的情况下, 减小节流数可使每个腔室内的流动损失增加, 然而总体来说, 腔室内的压阻增加没有节流数减小造成的压阻减小的多, 密封通道内的总压阻减小, 漏泄量增加;

5) 在工况条件不变的情况下, 转子转速增大, 漏泄量总体上降低, 但是数值变化较缓慢。

[1] 查志武. 鱼雷热动力技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[2] 晏鑫, 李军, 丰镇平. 蜂窝密封内流动传热及转子动力学特性研究进展[J]. 力学进展, 2011, 41(2): 201- 216.Yan Xin, Li Jun, Feng Zhen-ping. Review of the Dis- charge, Heat Transfer and Rotor Dynamic Characterictics of Honeycomb Seals[J]. Advances in Mechanics, 2011, 41 (2): 201-216.

[3] 林丽, 刘卫华. 齿型夹角对迷宫密封性能影响的数值研究[J]. 润滑与密封, 2007, 32(3): 47-50. Lin Li, Liu Wei-hua. Numerical Study of Configuration Effect on Labyrinth Seal Characteristics[J]. Lubrication Engineering, 2007, 32(3): 47-50.

[4] 黄来, 黄丕维, 程贵兵, 等. 迷宫密封内流场的数值模拟和漏泄量研究[J]. 湖南电力, 2007, 27(3): 1-4.

[5] 张强. 节流间隙宽度对直通式迷宫密封漏泄量的影响[J]. 内蒙古石油化工, 2010(12): 64-66.

Numerical Simulation on Flow Characteristic in Labyrinth Seal Passage

GUO Zhao-yuan, ZHANG Jia-he, WAN Rong-hua, JIA Rui, YANG Yan

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To investigate leakage characteristic of labyrinth seal of steam turbine for engineering design, the flow fields in straight and stepped labyrinth seal passages are numerically simulated by computational fluid dynamics(CFD) method in different conditions and structural sizes and shapes. Subsequently, the flow characteristic in labyrinth seal is analyzed in detail. Simulation results show that the leakage can be effectively reduced by decreasing the pressure ratio, the clearance width, or the angle between axis and cavity edge, or by increasing the number of throttles, but the leakage is insensitive to the speed of rotor.

steam turbine; labyrinth seal; leakage; numerical simulation

TJ630.32; TJ631.2

A

1673-1948(2013)05-0364-05

2013-04-30;

2013-06-27.

郭兆元(1980-), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事鱼雷热动力技术方向研究工作.

(责任编辑: 陈 曦)