《汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封内部流动的数值研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封内部流动的数值研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2005 Fluent 中国用户大会论文集 127 汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封内部流动的数值研究 李 军，丰镇平 （西安交通大学能源与动力工程学院 叶轮机械研究所，西安 710049） 摘 要： 针对汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封的复杂结构和轴的旋转效应，采用 CFD 商用软件 FLUENT 数值求解三维Navier-Stokes 方程技术研究其内部流动。采用有限体积方法离散 Navier-Stokes 方程，标准 k 两方程紊流模型封闭方程组。数值求解方法采用 SIMPLE 算法，迎风 2 阶格式求解对流项，迎风 1 阶格式求解扩散项。研究分析整体加工直齿和镶片式尖齿两种高低齿迷宫式隔板汽封的流
2、动特性和泄漏量。数值模拟结果证明了齿间距增大，泄漏量相应增加，凸台的位置也影响泄漏量。数值模拟得到的流场揭示了高低齿迷宫式隔板汽封内的复杂流动特性。本研究工作为工程设计高低齿迷宫式隔板汽封提供了理论依据和技术支撑。 关键词： 汽轮机 高低齿 迷宫式隔板汽封 数值模拟 1 前言 现代火力发电厂汽轮机汽封一般采用梳齿迷宫式汽封，迷宫式汽封的密封原理是齿与转子间形成的一系列节流间隙与膨胀空腔，使通过的工作蒸汽产生节流与热力学效应而达到密封效果。汽封按其装置位置的不同可分为轴端汽封（轴封） ，隔板汽封和通流部分汽封（叶顶汽封）三类。对于隔板汽封，在汽轮机的高压端，缸内蒸汽压力高，为减少蒸汽的泄漏量，一
3、般采用高低齿式汽封。在低压端，常采用光轴汽封，以适应转子和汽缸较大差胀的需要1。 随着节能和现代火电技术的发展，超临界汽轮机的应用范围越来越广泛，蒸汽压力高，级间密度大，造成漏气损失增加，而为了防止或减缓汽封片的磨损，又不能选择过小的间隙，因此合适的高低齿迷宫式隔板汽封的设计，既可以减少漏汽损失，又可以避免机组运行过程中发生转子低频振动，提高轴系稳定性2,3。 1由于高低齿隔板汽封的复杂性和转子的高速旋转造成其内部的三维紊流，使得实验研究其内部流动特性变得非常困难。随着计算机技术和计算流体动力学水平的发展，数值研究汽封内部流动，提高汽封设计水平，逐渐在汽轮机制造业受到重视而得到相应的发展。蔡虎
4、等人采用数值方法研究了叶顶汽封的流动对叶片主流流场影响情况4。 Schlienger 等人采用实验方法研究了两种不同形状的叶顶汽封内部流动特性，主要研究分析了叶顶汽封内的泄漏流对叶片流道内二次流影响的特性5。Denecke 等人采用实验方法研究了动叶叶顶汽封齿与沟槽的形状和相对位置对泄漏量的影响6。 但是对于具有高速旋转的高低齿迷宫式隔板汽封内部流场的数值研究的报道却较少。 本文采用 CFD 商用软件 FLUENT 数值方法研究了汽轮机高压整体加工直齿和镶片式尖齿两种不同结构高低齿迷宫式隔板汽封的三维内部流场。 采用有限体积方法离散 Navier-Stokes 方程， k两方程紊流模型封闭方程
5、组。数值求解方法采用 SIMPLE 算法，迎风 2 阶格式求解对流项，迎风 1阶格式求解扩散项。数值模拟结果证明了齿间距增大，泄漏量相应增加，凸台的位置对泄漏量也有影响。数值模拟得到的流场揭示了高低齿迷宫式隔板汽封内的复杂流动特性。本研究工作为工程设计高低齿迷宫式隔板汽封提供了理论依据和技术支撑。 作者简介：李军（ 1971 年 3 月） ，男，安徽省六安市生，副教授，工学博士，研究方向是叶轮机械气动热力学 基金项目：国家自然科学基金资助项目 50506023 2005 Fluent 中国用户大会论文集 128 2 计算模型和数值方法 图 1 给出了某高低齿迷宫式隔板汽封一段弧段的三维结构示意
6、图。其中 s 是间隙，即齿尖与转轴之间的径向距离， t 是齿间距， w 是凸台高。高低齿隔板汽封内的泄漏流动是由于隔板前后压力差造成的。因为转轴的高速旋转和迷宫式汽封结构的复杂性，使得高低齿隔板汽封内的流场是典型的三维紊流。为了正确分析隔板汽封内部流场特性和计算泄漏量，数值求解三维 Navier-Stokes 方程是需要的。 图 1 三维迷宫式高低齿隔板汽封结构示意图和计算网格图 三维隔板汽封内部流动的控制方程如下描述 ( ) ( ) SgraddivUdiv +=v式中， 为流体密度； Uv为流体速度矢量； 为通用变量，可以代表速度 u， v， T 以及 k 和 等求解变量； 为广义扩散系数
7、； S为广义源项。 为了节省计算时间，我们采用计算一段弧段的方法分析整个隔板汽封内部流场的办法，弧段的两个断面是周期性边界。流体是过热蒸汽。由于计算区域的复杂性，采用非结构化计算网格（如图1 所示） 。采用有限体积方法离散控制方程，对流项采用 2 阶迎风格式进行求解，扩散项采用 1 阶迎风格式进行数值求解。 k 两方程紊流模型用于封闭求解的方程组，采用 SIMPLE 算法对离散方程进行数值求解7。计算区域中转轴的转速是 3000rpm，模拟中将转轴壁面设计成旋转壁面。 3 结果分析 表 1 是某高低齿镶片式尖齿隔板汽封结构尺寸，该迷宫式汽封是采用 3 齿短 1 齿长的结构。由于隔板前后压力值较
8、大，所以采用凸台结构。该高低齿迷宫式隔板汽封的间隙是 0.38mm，凸台高是4.5mm，分别模拟计算了齿间距是 7.9mm 和 12mm 两种结构流动情况。从计算得到的泄漏量可以看出齿间距的增加造成了泄漏量的增大。但是由于凸台和镶片式汽封齿结构的作用，泄漏量的增加幅度不大。图 2 给出了两种齿间距的隔板汽封内静压等值线分布，其中压力值是相对于大气压的相对值。从静压等值线分布可以看出两种齿间距隔板汽封内部流动的相似性和复杂性。从图 3 两种齿间距汽封齿内部流线图中可以看出在汽封齿内存在许多涡流，证明了由于涡流的存在使得蒸汽的动能转化为热能，起到了密封的作用。 2005 Fluent 中国用户大会
9、论文集 129 表 1 镶片式尖齿隔板汽封结构尺寸和泄漏量 高低齿镶片式尖齿 隔板前压力 10.153 MPa 隔板前温度 467.1oC 隔板后压力 9.166MPa 序号 s (mm) t (mm) w (mm) 泄漏量（ kg/s）1 0.38 7.9 4.5 1.9697 2 0.38 12 4.5 2.1694 (a) 序号 1 (b) 序号 2 图 2 高低齿镶片式尖齿迷宫式隔板汽封的静压等值线分布 (a) 序号 1 (b) 序号 2 图 3 高低齿镶片式尖齿迷宫式隔板汽封流线图 表 2 给出了某整体加工直齿隔板汽封的结构尺寸。该高低齿迷宫式汽封的间隙是 0.4mm，凸台高是 2.
10、5mm，分别数值计算了齿间距是 6mm 和 10mm 两种结构的汽封内流动情况。从计算所得到的泄漏量可以看出齿间距增加了 4mm 使得泄漏量增加了 0.0519kg/s。图 4 给出了两种齿间距结构的汽封静压等值线分布，其中的压力值是相对于大气压的相对值。从压力等值线分布可以看出在汽封齿内存在许多涡流，这些涡流将蒸汽的动能耗散为热能。这可以从图 5 的汽封齿内流线图中进一步得到证明。 表 2 整体加工直齿隔板汽封结构尺寸和泄漏量 高低齿整体加工直齿 隔板前压力 6.373MPa 隔板前温度 438.6oC 隔板后压力 5.766MPa 序号 s (mm) t (mm) w (mm) 泄漏量（
11、kg/s）1 0.4 6 2.5 0.6876 2 0.4 10 2.5 0.7395 2005 Fluent 中国用户大会论文集 130 (a) 序号 1 (b) 序号 2 图 4 高低齿整体加工直齿迷宫式隔板汽封的静压等值线分布 (a) 序号 1 (b) 序号 2 图 5 高低齿整体加工直齿迷宫式隔板汽封流线图 4 结束语 本文对汽轮机整体加工直齿和镶片式尖齿两种不同结构高低齿迷宫式隔板汽封的三维内部流场进行了数值研究，得到以下结论： (1) 齿间距直接影响高低齿迷宫式汽封的泄漏量，在相同的隔板前后压力差的情况下，大的齿间距造成的泄漏量增加； (2) 齿的形状和凸台的位置对高低齿迷宫式隔板
12、汽封的泄漏量具有一定影响，凸台的位置或者高低齿的设置需要考虑转子变形和差胀效应。 参考文献： 1 张宏，王建新，白旭，徐士民，超临界汽轮机蒸汽力的影响及几种典型汽封结构 J，汽轮机技术，第 43 卷第 1期， 2001 年 2 月， 17 19 2 刘辉，郝红艳，张红莲，徐宝玉，汽轮机汽封系统设计研究 J，汽轮机技术，第 44 卷第 3 期， 2002 年 6 月， 159 161 3 茅声凯，商中福，尹莲华，李晓宇，改善汽轮机通流部分性能的现代化技术 J，汽轮机技术，第 41 卷第 3 期，1999 年 6 月， 129 135 4 蔡虎，朱斌，徐星仲，蒋洪德，汽封结构内部流动现象的数值模拟
13、 J，工程热物理学报，第 21 卷第 6 期， 2000年 11 月， 694 696 5 Schlienger, J., Pfau, A., Kalfas, A. L., Abhari, R. S., Effects of Labyrinth Seal Variation on Multistage Axial Turbine FlowA, GT2003-38270, Proceedings of ASME Turbo Expo 2003, power for Land, Sea, and AirC, June 16-19, 2003 Atlanta, Georgia, USA 6 Dene
14、cke, J., Schramm, V., Kim, S. and Wittig, S., Influence of Rub-Grooves on Labyrinth Seal LeakageJ, Transactions of the ASME, Journal of Turbomachinery, Vol. 125, April 2003, pp. 387-393 7 FLUENT Users Guide, Version 6.0, Fluent Inc., Centerra Resource Park, Lebanon, NH, 2001 2005 Fluent 中国用户大会论文集 13
15、1 Numerical Investigation of the Flow Fields in the Stepped Labyrinth Seal of Steam Turbines LI Jun, FENG Zhenping (Institute of Turbomachinery, School of Energy & Power Engineering Xian Jiaotong University, Xian 710049, China) Abstract: Three-dimensional flow fields of two types of the stepped labyrinth seal with the integral machining straight sealing knives and mounting slice sharp sealing knives for steam turbines are investigated using numerical simulation. The finite volume method is used to discretize the Navier-Stokes Equati
