汽轮机刷式汽封流场数值计算

第40卷第3期2011年9月热力透平THERMALTURBINEVO140NO3SEPT2011汽轮机刷式汽封流场数值计算胡丹梅，沈洋，费孝律1上海电力学院能源与环境5程学院动力系，上海200090；2江苏透平密封高科技有限公南京210000摘要根据刷式汽封的有效厚度模型，对刷丝中蒸汽的流动进行数值计算，得出了刷丝流场的压力场、温度场、速度矢量场及泄漏量。计算表明，刷毛直径、刷毛密度以及刷毛的排布方式对刷式汽封的性能影响显著。关键词汽封；刷式汽封；数值计算中图分类号TK2632文献标识码A文章编号167255492011J03018804NUMERICALCALCULATIONOFSEALFLOWFORSTEAMTURBINEBRUSHSEALHUDANMEI，SHENGYNNG，FE1XIAOLU1SCHOOLOFTHERMALPOWERENVIRONMENTALENGINEERING，SHANGHAIUNIVERSITYOFELECTRICPOWER，SHANGHAI2000901，CHINA；2JIANGSUTURBINESEALHIGHTECHONOGYCOLTD，NANJING210046，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHEEFFECTIVETHICKNESSMODELOFTHEBRUSHSEAL，THESEALFLOWFIELDISCMCDATEDNUMERICALLYSOTHATTHEPRESSUREFIELD，TEMPERATUREFIELD，VELOCITYVECTORFIELDANDLEAKAGEFLOWSOFBRUSHSEALAREOBTAINEDTHERESULTSHOWSTHATDIAMETER，THEDENSITYANDTHEDISTRIBUTIONOFBRUSHBRISTLESHAVENOTABLEEFFECTONBRUSHSTEAMSEALPERFORMANCEKEYWORDSSTEAMSEAL；BRUSHSEAL；NUMERICALCALCULATION传统的迷宫密封为一种非接触式密封，由于其不需要润滑，允许自由热膨胀，维修方便，并且不受转速限制，因此广泛应用于汽轮机、燃气轮机、压缩机和鼓风机的轴端和级间。然而由于受设备轴向长度的限制，迷宫密封泄漏量较大，若能尽量减小这一泄漏损失，汽轮机或燃气轮机的效率和功率将得到有效提高，电厂将由此获得巨大的经济效益。美国于1988年开展了一项综合高性能透平技术IHPTET的研究计划，将三维叶片和刷式密封作为重点发展技术，并将刷式密封作为2000年的实用技术发展项目。目前，刷式密封已在许多航空发动机、汽轮机和燃气轮机中得到推广应用。刷式密封能适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，且不显著增大泄漏率。实验研究表明，刷式密封的泄漏量是迷宫密封的15110，并改善了转子的稳定性，刷式密封可使燃气轮机出力提高46，航空发动机推力增大2，耗油率降低2左右J。若将刷式密封用到压气机叶尖间隙处，可使压气机效率提高2，喘振裕度提高5。对汽轮机而言，汽轮机泄漏损失约占内部损失的13，在高压缸中，叶顶泄漏损失和隔板泄漏损失分别占级损失的22和7，大约与静叶或动叶中的型线损失和二次流损失之和为30相等J。以某机组为例，其叶顶间隙的平均值约为115MM，而动叶叶高为L17RAM24MM。两者之比约为58。若将间隙降到05MM，则可增加功率约2。从某种角度看，在获得同样效率增量的情况下，改造汽封比改造叶片更节省成本和时间。本文利用FLUENT软件对刷式汽封流场及其影响因素进行了数值计算，并得出一些分析结论，以供参考。1刷式汽封的工作原理刷式汽封由上游环、下游环及夹装在两者之收稿日期20110526修订日期20110627基金项目国家自然科学基金项目50706025和上海市教育委员会科研创新重点项目11ZZ171资助。作者简介胡丹梅1972一，女，博士，副教授，毕业于上海交通大学，主要从事动力机械的研究开发、风能利用等工作。圆I黧汽轮机刷式汽封流场数值计算热力透平问紧密排列的刷毛组成，刷式汽封的结构如图1所示。其主要部件刷毛是一束捆扎在一起的高密集度的高温合金细金属丝，按一定方向排列的刷毛束被钎焊在左右两侧的圆环上，刷丝的自由端与轴表面接触，致密的细金属丝阻隔了工质的泄鋈萋L辩刷毛隶F游环型L羹鞋L蒌LL图12刷式汽封流场数值计算模型漏通道。刷毛沿转子旋转方向有一定倾角，这样刷毛通过柔性退让能吸收转子径向偏移，并且很容易恢复闭合状态，保证优越的封严性，在短时期与轴过盈接触后，不会像迷宫密封一样，出现永久性的性能损失。刷式汽封结构上游环内径和下游环内径；还计及了环境参数，如气体人口压力、出口压力、出口温度以及气体常数及气体粘度等。图2为有效厚度模型刷毛束的随21有效厚度模型KNUDSEN提出的均匀交错管道模型，用于分析流体流过管束时所产生的压力降。受此启发，1991年，CHUPP利用方形交错排布圆柱模型来描述刷式汽封。HOLLEL对此进行了修订，提出了六边形交错排布圆柱模型。在此基础上MODI_8建立了随机交错排布管道模型。1996年，CHUPP解决了刷毛随机分布的定量描述问题，对9种刷式汽封的实验数据进行了统计分析处理，形成并完善了定量分析刷式汽封密封特性的有效厚度模型。有效厚度模型考虑了刷式汽封的结构参数，如刷毛丝的直径、刷毛倾斜排布角、刷毛密集度、ONOOOOOOOOOOOOOOL泄漏气体图2刷式汽封的有效厚度模型II圜二T。OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO汽轮机刷式汽封流场数值计算热力透平刷式汽封的泄漏量随着压比9汽封人口压力与出口压力之比的增加而增加。根据文献9中的试验测量数据，本文计算数据与试验测量数据误差4时，泄漏量和泄漏量的变化量都开始加大。因此横向的距离应保持在4倍刷丝半径以内比较适合，在此范围内介质的纵向流动会受到更大的阻碍，更多的介质流向会改变成跟主流流动向垂直或者接近垂直的横向流动，使流体产生自密封效应加大，横向流动或者侧向流动显然对自密封效应有重要的贡献，能有效减少泄漏量。6图7S，S对泄漏量的影响33刷丝纵向间隙对泄漏量的影响在刷丝直径D6为00711MM，S为01362MM以及压比P为391的条件下，改变刷丝纵向间隙S的值，分析泄漏量的变化，计算结果如图8所示。从图中可以看出，泄漏量在S，00406MM01008岜006004裁0O20刷丝纵向间隙SMM图8刷丝纵向间隙对泄漏量的影响00432MM时比较低，因此刷丝纵向的分布并不是越紧越好。刷丝纵向间隙接近0时，泄漏流体缺少了刷丝问横向的流动，主要方向的流动没有被刷丝破坏，使泄漏量不能得到较好的控制。当然，如果纵向间隙过大，刷丝对流体的阻碍能力就会减小，所以泄漏量就会增大。34刷丝直径对泄漏量的影响在一定的有效厚度下，在横向间隙与纵向间隙比值SS，为383，纵向间隙SR为0O0508MM以及压比9为391的条件下，改变刷丝直径，分析泄漏量的变化，计算结果如图9所示。从图中可以看出此模型中刷丝直径在006096至00762MM左右能得到较小的泄漏量。从刷式汽封的密封性能角度考虑，刷毛束直径过大或过小，都是不利的。通过比对其流场速度分布说明，当刷丝直径很小时，并不能有效地阻碍介质流动，无法取得好的密封效果。当刷丝直径达到一定的值时，横向的流动对主流方向的扰动很大，能达到一个较小的泄漏量。当刷丝继续加大时，横向的扰动对主流的影响开始变小，因此泄漏量开始增大。01201008日006蜒004002O005590061000660007110076200813刷丝直径MM图9刷丝直径对泄漏量的影响4结论1在刷丝直径为00711MM，刷毛纵向间距为003556MM以及压比为39L的条件下，刷丝横向间距保持在4倍刷丝半径以内时，泄漏蒸汽的流向会改变成跟主流流动向垂直或者接近垂直的横向流动，使流体产生自密封效应加大。2在刷丝直径为00711MM，刷丝横向间距为01362MM以及压比为391的条件下，刷丝纵向的分布并不是越紧越好。刷丝纵向间留有00406MM到00432MM时，刷丝分布干扰了主要方向的流动，使得泄漏量得到比较好的控制。3在刷丝横向间隙与纵向间隙比值为383，纵向间隙为0O0508MM以及压比为391的条件下，刷丝直径在006096至下转第202页II圈宝叭000OOO0O一_喜嘿第3期透平冷却空气量计算方法综述5结论冷却空气系统是燃机可靠运行的必要系统，是燃机透平进口温度得以提高的主要手段。合理地研究并设计好燃机的空气系统，估算出透平冷却空气量可以统筹兼顾燃机高出力与低热耗的要求，并最终提高燃机的整体性能。本文通过对国内外相关领域文献的研究，表明国内对空气系统的研究从能量角度计算主要有两种方式1从透平换热角度估测燃机空气系统的空气量，此方法计算简便，意义明确，适合工程应用，但该类研究方法没有细化至空气系统部件。2流体网络法，可针对空气系统内部结构进行研究，能够计算出空气系统内部各结点参数分布，适用于冷却空气系统的研究。目前国外已经利用该方法成功地对ANSALDOV943A燃机轮机的空气系统进行了模拟，而且将空气系统的计算与ESMS进行耦合，模拟了燃机整机的热力性能，验证了采用这种方法研究空气系统的可行性。但由于流体网络法计算量大，计算中容易出现不收敛的情况，如何解决好计算中收敛问题并获得流体网络中各节点元件的精确性能参数，将是流体网络法计算中需要重点关注的问题。上接第191页00762MM左右横向的流动对主流方向的扰动很大，能达到一个较小的泄漏量。参考文献1茅声凯，商中福，尹莲华，改善汽轮机通流部分性能的现代化技术J汽轮机技术，1999，413152孙晓萍刷式汽封性能和耐久性试验J航空发电机，20023153孙丽霞，王宗根，卢晨光刷式汽封中泄漏问题的流体动力学模型研究J吉林化工学院学报，2004，21413，4杨其国，茅声凯，胡贵宝，蔡光明叶顶刷子汽封在汽轮机上的应用J汽轮机技术，2003，45512，5KNUDSEN，JG，ANDKATZ，DLCHAP11FLOWINTHESHELLSIDEOFMULTITUBEHEATEXCHANGENFLUIDDYNAMICSANDTRANSFERM，MCGRAWHILL，NEWYORK，1958，PP3233416CHUPP，RE，HOLLE，GFANDDOWLER，CASIMPLELEAKAGEFLOWMODELFORBRUSH5JAIAAPAPER，1991，NO911913圆I一蠢参考文献1李政，江宁，麻林巍西门子公司V943燃机轮机冷却空气信息推测J燃气轮机技术，2002，I15413152王德慧，李政，麻林巍，倪维斗大型燃气轮机冷却空气量分配及透平膨胀功计算方法研究J中国电机工程学报，2004，12411801853姜聪，陈海平，李静燃气轮机冷却空气量计算方法的研究J热力透平，2007，1362108一L1O4王罡，张光热力系统流体网络法研究J，现代电力，2005，122238415孙震平，王兰基于MATLAB的流体网络模拟调节J节能技术，2001，119107676张继超，张家余，夏浩，等改进的流体网络节点压力法J哈尔滨工业大学学报，1996，128676807陶智，侯升平，韩树军，等非稳态流体网络方法在发动机空气冷却系统中的应用J航空动力学报，2009，12434944988侯升平，陶智，韩树军，等流体网络法在发动机空气冷却系统设计中的应用J航空动力学报，2009，1241L一69CARLOCARCASCI，BRUNOFACCHINI，STEFANOGORIETA1HEAVYDUTYGASTURBINESUNMLATIONGLOBALPEOCORMACESESTIMATIONANDL如AIR5MODFICATONSAPROCEEDINGSOFGT2006ASMETURBOEXP02OO6POWERFORLAND，SEAANDAIRCMAY811，2OO6，BARCELONA，SPAIN1OKJKUTZ，TMSPEERSIMULATIONOFTHESECONDARYAIR娥MOFAEROENGINESJJOURNALOFTURBOMACHINERY，1994，11643063157HOLLE，GF，CHUPP，RE，ANDDOWLER，CABRUSHSEAL姆COELATIONSBASEDONEFFECTIVETHICKNESSAPROCEEDINGSOFTHEFOURTHINTERNATIONALSYMPOSIUMONTRANSPORTPHENOMENAANDDYNAMICSOFROTATINGMACHINERYISROMAC一4CHONOLULU，HI，APR58，1992，PP2963048MODI，VMODELINGBRISTLE一OFFINIDEALIZEDBRUSHSEALCONFIGURATIONSAPROCEEDINGSOFTHEFOURTHINTERNATIONALSYMPOSIUMONTRANSPORTPHENOMENAANDDYNAMICSOFROTATINGMACH