汽轮机刷式汽封流场数值计算.pdf

第4 0卷第 3期 2 0 1 1年 9月 热 力透 平 THERMAL TURBI NE Vo 1 4 0 No 3 Se p t 2 01 1 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 2 0 0 0 9 0 ； 2 江苏透平 密封 高科技有 限公 南 京 2 1 0 0 0 0 ) 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 ： T K 2 6 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 5 5 4 9 ( 2 0 1 1 J 0 3 0 1 8 8 0 4 Nu m e r ica l Ca lcu la t io n o f S e a l Flo w f o r St e a m Tu r b ine Br u s h S e a l HU Da n me i， S HENG Yn n g， FE1 Xia o lu ( 1 S ch o o l o f T h e r ma l P o we r E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e ct r i c P o we r ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0 1 ， C h i n a ； 2 J i a n g s u T u r b i n e S e a l Hi g h T e ch o n o g y Co L T D ，N a n j i n g 2 1 0 0 4 6 ， Ch i n a ) Abs t r a ct： A cco r d in g t o t h e e f f e ct i v e t h i ck n e s s mo d e l o f t h e b r u s h s e a l，t h e s e a l flo w fie l d i s cMcda t e d n u me ri ca ll y S O t h a t t h e p r e s s u r e fi e l d，t e mp e r a t u r e fi e l d，v e l o cit y v e ct o r fi e ld a n d le a k a g e fl o ws o f b rus h s e al a r e o b t a in e d T h e r e s u lt s h o w s t h a t d ia me t e r ， t h e d e n s it y a n d t h e d is t ri b u t io n o f b r u s h b r is t le s h a v e n o t a b le e f f e ct o n b r u s h s t e a m s e a l p e r f o r ma n ce Ke y wo r d s ： s t e a m s e a l；b r u s h s e a l；n u me ri ca l ca lcu l a t i o n 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 1 9 8 8年开展 了一项综 合高性能透平 技术( I H P T E T) 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 2 0 0 0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 1 51 1 0 ， 并改善 了 转子的稳定性 ， 刷式密封 可使燃气轮机出力提高 4 6 ， 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 1 3 ， 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 2 2 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 3 0 ) 相等 J 。以某机组为例 ， 其 叶顶 间隙的平均值约 为 1 1 5 m m， 而动叶叶高为 L=1 7 ra m2 4 mm。两 者之 比约为 5 8 。若将间隙降到 0 5 m m， 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 F L U E N T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 ： 2 0 1 1 0 52 6 修订 日期 ： 2 0 1 1 0 6 2 7 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 7 0 6 0 2 5 ) 和上海市教育委员会科研创新重点项 目( 1 1 Z Z 1 7 1 ) 资助。 作者简介 ： 胡丹梅( 1 9 7 2一) ， 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 l l 图 1 2 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 2 1 有效厚度模型 K n u d s e n 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 ， 1 9 9 1年 ， C h u p p 利用方形交错排布 圆柱模 型来 描述刷式汽封。H o l l e l 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 Mo d i _ 8 建 立 了 随 机 交 错 排 布 管 道 模 型。1 9 9 6 年 ， C h u p p 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 、 O n O o o o o o o o o o o o o o l 泄漏 气体 图 2 刷式汽封 的有效厚度模 型 II 圜 二 t 。 。 。 O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 1 0 ， 可见本 文计算 的方法和结果是正确 的 。 3 2 刷 丝横 向间隙对 泄漏 量 的影 响 在刷 丝直径 d 为 0 0 7 1 1 m m， S 为0 0 3 5 5 6 m m 以及 压 比 P ， 为 3 9 l的条件 下 ， 改 变 5 S 的 值 ， 分析泄漏量的变化 ， 计算结果如图 7所示 。从 图中可以看出， Ls S 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 7 S ， S 对泄漏量 的影 响 3 3 刷 丝 纵 向间隙对 泄 漏量 的影 响 在刷丝直径 d 6 为 0 0 7 1 1 m m， S 为 0 1 3 6 2 m m 以及压 比P 为 3 9 1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 ，= 0 0 4 0 6 m m 0 1 0 08 岜0 0 6 0 0 4 裁0 O 2 0 刷 丝纵 向间 隙S ( mm) 图 8 刷丝纵 向间 隙对泄漏量 的影 响 0 0 4 3 2 m m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。 3 4 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 S S ， 为 3 8 3 ， 纵 向间隙 S r 为0 O 0 5 0 8 mm 以及压 比 9为 3 9 1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 0 0 6 0 9 6至0 0 7 6 2 m m 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 。 0 1 2 0 1 0 08 日 0 0 6 蜒 0 0 4 0 0 2 O 0 05 5 9 0 061 0 0 0 6 60 0 071 1 0 0 7 62 0 081 3 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 0 0 7 1 1 mm， 刷毛纵向间距 为 0 0 3 5 5 6 mm以及 压 比为 3 9 l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 0 0 7 1 1 m m， 刷丝横向间距 为 0 1 3 6 2 mm以及压 比为 3 9 1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 0 0 4 0 6 m m到 0 0 4 3 2 mm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 3 8 3 ， 纵 向间隙为 0 O 0 5 0 8 m m 以及压 比为 3 9 1 的条件下， 刷丝直径在 0 0 6 0 9 6至 ( 下转第2 0 2 页) II 圈 ： 宝 叭 0 0 0 O O O 0 O 一 _喜嘿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 A n s a l d o V 9 4 3 A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 E S MS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 1 9 1页) 0 0 7 6 2 mm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 ， 1 9 9 9 ， 4 1 ( 3 ) ： 15 2 孙晓萍 刷式汽封性能和耐久性试验 J 航空发电机 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 5 3 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 ， 2 0 0 4， 2 1 ( 4 ) ： 1 3 ， 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 ， 2 0 0 3 ， 4 5 ( 5 ) ： 1 2， 5 K n u d s e n， J G，a n d K a t z ，D L C h a p 1 1 F l o w i n th e S h e l l S i d e o f Mu l t i t u b e H e a t E x c h a n g e n F l u i d D y n a m i c s a n d T r a n s f e r M ，Mc G r a w H i l l ， N e w Yo r k ，1 9 5 8， P P 3 2 3 3 4 1 6 C h u p p ， R E， H o l l e ， G F a n d D o w l e r ， C A S i m p l e L e a k a g e F l o w Mo del f o r B r u s h 5 J A I A A P a p e r ， 1 9 9 1 ， N o 9 1 1 9 1 3 圆I 一 蠢 参考文献 ： 1 李政， 江宁， 麻林巍 西 门子公 司 V 9 4 3燃机 轮机冷却空气信 息推测 J 燃气轮机技术 ， 2 0 0 2 ， I 1 5 ( 4 ) ： 1 31 5 2 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， 2 0 0 4， 1 2 4 ( 1 ) ： 1 8 01 8 5 3 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 ， 2 0 0 7， 1 3 6 ( 2 ) ： 1 0 8一l 1 O 4 王罡 ， 张光 热力系统 流体网络 法研究 J ， 现 代 电力 ， 2 0 0 5， 1 2 2 ( 2 ) ： 3 8 4 1 5 孙震平 ， 王兰 基 于 ma t l a b的流体 网络模拟调 节 J 节 能技 术 ， 2 0 0 1 ， 1 1 9 ( 1 0 7 ) ： 6 7 6 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 ， 1 9 9 6， 1 2 8 ( 6 )： 7 68 0 7 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 ， 2 0 0 9， 1 2 4( 3 ) ： 4 9 4 4 9 8 8 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 ， 2 0 0 9， 1 2 4 ( 1 ) ： l 一6 9 C a r lo C a r c a s c i， B r u n o F a c c h i n i， S t e f a n o G o r i e t a 1 H e a v yD u t y G a s T u r b in e S u n ml a t io n：G lo b a l Pe o Co r ma c e s E s t im a t io n a n d l 如 A i r 5 M o d fic a t o ns A P r o c e e d i n g s o f G T 2 0 0 6 A S ME T u r b o E x p 0 2 O O 6 ： P o w e r f o r l a n d ， S e a and A i r C M a y 81 1 ， 2 O O 6 ， Ba r c e l o n a，S p a in 1 O K JK u t z ， TM S p e e r S i mu l a t i o n o ft h eS e c o n d a ryA i r $娥m of A e r o E n g i nes J J o u r n a l o f T u r b o m a c h i n e r y ， 1 9 9 4 ， 1 1 6 ( 4 ) ： 3 0 6 31 5 7H o l l e ， GF， C h u p p ，R E， a n d D o w l e r ，C A B r u s hS e a l 姆 C o e l a t i ons B a s e d o n E ff e c t i v e T h i c k n e s s A P r o c e e d i n g s o f t h e F o ur t h I n t e rna t io n a l S y mp o s iu m o n Tr a n s p o r t P h e n o me n a a n d D y n a m i c s o f R o t a t i