薄叶气封流场结构与密封、扭矩特性的数值研究

第54卷第1期2012年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO154NO1FEB2012薄叶气封流场结构与密封、扭矩特性的数值研究张宏涛，顾忠华，王祥锋，韩万金，刘占生1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001；2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要采用CFX商业软件，数值模拟了薄叶气封内的三维流动，分析了薄叶气封的流场结构和密封特性以及扭矩随转速和抬起量的变化。结果表明，由于薄叶间距很狭窄，壁面对气体的黏性阻抗大于气流的膨胀加速，气体同时降低速度与密度，泄漏流量明显减小。此外，转子转数与薄叶抬起量的变化几乎不影响泄漏量。在转子转数一定时，薄叶上抬量愈小，转子承受的摩擦扭矩愈大。而当薄叶上抬量一定，转子转数增加，摩擦扭矩增大。关键词薄叶汽封；扭矩特性；泄漏；数值模拟分类号TK4748文献标识码A文章编号10015884201201002904NUMERICALSTUDYONTHEFL0WFILEDSTRUCTUREANDSEA1TORQUECHARACTERISTICS0FLEAFSEALINGZHANGHONGTAO，GUZHONGHUA，WANGXIANGFENG，HANWANJIN，LIUZHANSHENG1COLLEGEOFENERGYSCIENCEANDENGINEERING，HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINA；2HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTNUMERICALSIMULATIONOFTHE3DFLOWINSIDETHELEAFSEALHASBEENTAKENBYCOMMERCIALSOFTWARECFX，FLOWSTRUCTUREANDSEALINGCHARACTERISTICSOFLEAFSEA1ANDTORQUECHANGEWITHROTATIONALSPEEDANDLIFTRATEWASANALYZEDTHERESULTSHOWSBECAUSETHECLEARANCEBETWEENEACHLEAFISSMALL，VISCOUSIMPEDANCEOFWALLTOGASISLARGERTHANTHEEXPANSIONACCELERATEOFGAS，BOTHVELOCITYANDDENSITYOFGASISDECREASED，LEAKAGERATEISREDUCEDEVIDENTLYONTHEOTHERHAND，ROTATIONALSPEEDOFROTORANDLIFTRATEOFLEAFCANHARDLYINFLUENCELEAKAGERATEWHENTHEROTATIONALSPEEDOFROTORISDEFINED，THESMALLERTHELIFTRATEOFLEAF，THELARGERTHEFRICTIONTORQUEPUTSONTHEROTORWHILETHELIFTRATEOFLEAFISDEFINED，THEFRICTIONTORQUEINCREASESWITHTHEROTATIONALSPEEDOFROTORINCREASINGKEYWORDSLEAFSEALING；TORQUECHARACTERISTICS；LEAK；NUMERICALSIMULATION0前言在现代火力发电厂的汽轮机中，迷宫气封广泛应用于轴端和级间，防止蒸汽由高压端漏往低压端。传统的迷宫气封属于非接触式气封，它不需要润滑，允许自由热膨胀，维修方便，并且不受转速限制。然而，为了要防止由于气封加工或安装以及启停机通过临界转速时发生较强振动造成的机械干涉问题，这种气封必须保持较大的通流间隙，使机组具有很高的泄漏损失J。同行们提出采用接触式零间隙刷式气封。在相同工况下，刷式气封的泄漏量是迷宫密封的10它在汽轮机处于停机状态时与转动部件接触，而在运行状态时在转子的气动力以及压差作用下，薄叶顶端被抬起，与转动部件形成一个很小的间隙，而且薄叶的刚性很好，因此，薄叶气封具备漏气量小、寿命长和能承受较大压差的特点。本文认为薄叶气封有可能在不久的将来在汽轮机内替代迷宫气封。本文利用CFX商业软件，对薄叶气封进行了三维流动数值模拟，分析其气动性能，以期引起国内本领域研究者的重视。1数值模拟方法2031。可是，由于刷毛柔软且长期与高速转动部件触11磨，寿命短，承受的压差小。薄叶气封是介于以上两种气封几何模型计算用几何模型来源于文献5，参考文献提供的薄叶之间的一种新型气封，是由MHI公司于2002年发明的【。式气封结构如图1所示，其主要几何参数见表1。表1薄叶气封的主要几何参数收稿日期20111LL9作者简介张宏涛1971一，男，黑龙江哈尔滨人，硕士，高级工程师。现主要从事叶轮机械设计研究。30汽轮机技术第54卷气底部间隙薄叶宽度气封内径顶端间隙转子图1薄叶式气封结构示意图_4J12计算模型与网格划分根据文献5提供的薄叶气封的结构参数以及主要几何参数，选取了数值模拟用薄叶气封计算模型的几何和气动参数，如表2所列。图2O为根据表2参数建立的几何模型外观，图2B为计算网格图。气流在气封内的流动过程中，忽略外部各种扰动因素，流动具有轴对称性。考虑到整圈计算耗费的计算机内存和计算量均较大甚至超出一般计算机的限度，因此仅L几何外观6计算网格图2薄叶式气封几何模型858224291个计算几何体构成整圈的薄叶气封。对于气封结构，除了没有全周计算外，不再做其它任何简化，完全遵从文献5的几何参数。薄叶的两端面分别为入口和出口截面。假设流动是定常的。两侧面采用周期性边界条件。下部为5000RMIN的旋转壁面，上部为静止壁面。薄叶气封几何体的生成用GAMBIT完成，以PARASOLID的格式输出，在将几何体调入ICEM中进行网格划分。对薄叶之间、薄叶与转子表面之间的空隙进行了适当的网格加密。流道其它部分网格划分稍粗一些。这些措施保证了较好的计算Q2块薄片附近的流动，周向采用周期性边界条件，则网格质量和较少的网格数量。计算网格数为320万左右。表2薄叶式气封计算模型的几何气动参数13边界条件对于薄叶气封的边界条件，气流由左侧界面进入，经过各个气封片之间的空隙和气封与转子表面形成的间隙，压力降低后由右侧界面流出。周向采用周期性边界条件。转子的表面为旋转壁面，薄叶气封表面及其上部壁面视为静止壁面。在CFX软件包中包含了几种常用的边界条件进口边界条件INLET，出口边界条件OUTLET，壁面边界条件WAL1，开放边界条件OPEN，周期性边界条件PERIODIC。进口边界条件可以给定总压，或速度矢量，或流量，或者是静压。由于入口前部的距离取得较小，转子的旋转对入口流动有较大影响，使得入口平面都有气体流进和流出，所以入口处不能采用INLET入口方式，而采用了OPEN方式，同样，出13速度矢量也不垂直出口面，并且出13附近的三维流动非常强烈，因此也采用OPEN方式。选取静压、静温作为入口、出口气动参数。开放边界条件可选择压力无方向或压力有方向，或者给定速度矢量，或者给定静压等。如果选择压力无方向，意味着所给定的压力由计算结果判定该压力是静压还是总压，如果该平面为气体流出、流入系统，则压力是静压，如果单纯流入系统，则是总压。本计算选取了压力无方向的进、出口条件以满足进出口强烈的三维流动特点。周期性边界条件分为旋转周期性边界和平移周期性边界。平移周期性边界要求两个周期性界面必须平行，而旋转周期性边界要求其中的一个界面必须能够通过另外一个界面绕旋转轴旋转出来。因此计算中薄叶气封的中分面采用旋转周期性边界条件。2结果与分析21气封片间隙的流场结构图3表示薄叶气封内流速矢量分布，图中的截面为薄叶间隙的中分面，矢量为气流速度矢量在该截面内的投影。由于薄叶与转子形成的间隙很小，所以那里的漏气可忽略。气体主要是经由气封和支撑体及薄叶之间的间隙漏出。气体首先从侧板顶部间隙流进薄叶的高压侧间隙，再由高压侧间隙流入薄NFLJ隙。当气体进入薄叶间隙时，受到薄叶侧面的阻滞，速度梯度变化很大，因而气流在薄叶进口急剧加速而被节流。当气体进入间隙后，由于间隙很薄，甚至可能小于气体边界层的厚度，气流为层流，这是薄叶间气体的主要流态，它决定了气封内的流动特性。在薄叶出口，气流由薄叶间隙流入低压侧间隙，即由小空间流人大空间，体积膨胀，流速加快形成射流，这里的气流具有较大的速度梯度。从总体上看，由于气体是由气封体前后侧板顶部间隙流进和流出，流线必呈“Q”型。为了使薄叶在机组工作期间能顺利地弯曲，脱离转子表面，不被其它相邻薄叶阻碍，薄叶间就必须保持一定的问隙，第1期张宏涛等薄叶气封流场结构与密封、扭矩特性的数值研究31图3薄叶气封内流速矢量分布因此在薄叶的顶部设有一个台阶，薄叶与薄叶之间就依靠台阶的相互叠加而保持应有的距离。这样一来，薄叶间隙内的流场就被分成两部分主体流场和顶部流场。主体流场位于台阶与底部之间。如图3展示的那样，薄叶间隙内气流先是流向右上方，然后流向右下方，流线为一条弧线，这是由薄叶气封的结构特点决定的。由于从台阶向底部薄叶间隙逐渐加宽，底部的空间大气压较低，由高压侧板顶部间隙流入的气流在压差驱动下流向这里。这里气流的唯一出路是低压侧板顶部间隙，而且后者的气压更低，加之气流在流动的过程中发生强烈的膨胀，在气封体的后部，气流方向被扭转流向右下方。从台阶开始愈向底部深入，流线的曲率愈大。顶部流场处于台阶与薄叶顶端之间。在该流场的左上角，由于台阶的出现，使得气封的通流面积发生了突然变化，靠近台阶的气体有向低压大空间流动的趋势，所以流动是斜向右上方的。其它地方气流基本是沿着薄叶叶顶方向流动，这是由于薄叶顶部间隙比薄叶主体间隙薄，而且几乎没有厚度的明显变化，所以不会出现主体流场那样气流方向发生大角度的变化，在薄叶顶端气流甚至沿转子表面流动。图3还表明，薄叶内有4个区域气体流速发生了强烈变化1薄叶主体入口，即薄叶的断面处；2薄叶入口台阶处，即薄叶间隙发生突变的部位；3薄叶主体出口，与1区对应；4薄叶顶部出口，与2区对应。由1区气流速度矢量可见，气流在此处有两个流动方向，一部分气流进入薄叶主体间隙，流向右上方；另一部分气流受薄叶截面的阻碍，并在高压间隙内气流的带动下，流向左上方。2区位于薄叶进口主体间隙与顶部间隙的交界面附近，借助直角台阶通流面积突变，因而在此部位出现气流斜穿过台阶由顶部间隙向主体间隙的高速射流。此外，流入薄叶顶部间隙的进口气流被迅速加速后，流向右下方，显然后一部分气流向是被通过薄叶顶端与转子间隙的泄漏流量所导引。3区是薄叶主体流场的出口。低压侧间隙空间比较大且与低压侧板顶部间隙直接相通，后者的气压最低气封的背压。由3区流出的气流进一步膨胀加速，方向折向转子表面。4区处于顶部间隙流场的出口。由于所有泄漏气流都汇集于此，气流在转向低压侧板顶部间隙的同时，急剧膨胀加速。在薄叶间隙流场中，此处的流速最高。22气封片上的压力分布特点压力等值线的疏密能够说明压力变化的剧烈程度，由流线与压力等值线的正交性能够近似看出泄漏流动的方向。如图4所示，在薄叶顶部间隙内静压等值线十分密集，高压泄漏气流进入薄叶间隙由高压侧流向低压侧，压力迅速降低，伴随气流的急剧膨胀，在间隙的前上部有部分气流斜向右上方流动，即流向主体间隙，在该间隙的后部，亦有部分气流由主体间隙流入本间隙。气流降压膨胀，可流速并没有提高，这是因为顶部间隙很窄大约8M，壁面对气流的黏性滞止作用，使气流的动能损耗大于膨胀增加的动能，由图3和图5均可以看到，气流在减速而不是增速。PRESSURECONTOUR1|3990E005|3775E0053560E005毫3345E005潦3130EO052915E0052700EO05滕2485E005器2270E0052055E0051839E005L624E005I1409E005I1194E005L9739E004【PA】00004800096圈踊圜Y母T图4薄叶气封片中分面上的压力等值线分布MACHNUMBERCONTOURL1|8716E一001重8_L7LE_001蠢7626E0017082E005992EOOT醛5447E一0014903EO0齄鞋J813E一001隧3_268E_00L2724EO012179E001|1089EO01|5447E一002L1O00E。0150000280005500083圃圆圆图5薄叶汽封中分面上的马赫数等值线分布由图4还可以观察到，薄叶主体间隙内的压力等值线从台阶至底端越来越稀疏，而且变化的速率相当快，以至于在底端附近由高压侧至低压侧压力的变化在两条压力等值线32汽轮机技术第54卷间隔之间，也就是说由主体间隙的高压侧至低压侧虽是降压的，但压力变化不大。从压力等值线与流线正交上看后者的形状，近似呈半圆弧形。显然，流经主体间隙的泄漏流量较小。主要的泄漏流量由薄叶顶部间隙漏出，主体间隙的作用是通过泄漏流动的多次折转与通流面积的剧烈变化，增加对泄漏流动的阻抗，耗散其湍动能，达到进一步降低泄漏流量的目的。23气封片上的马赫数分布特点由图5可以看到，除个别局部，在薄叶间隙流场中流速的变化与压力的变化类似，即在顶部间隙变化大，在主体间隙变化小。如22节所述，伴随气体沿流向的膨胀，若不考虑气体的黏性，流速应是增长的，然而气体实际上是有黏性的，相邻两个薄叶构成的流道十分狭窄，壁面效应强烈，产生的切应力阻抗气流增速，而且对气流切应力的减速作用大于压降的增速作用，因此气流在密度下降的同时，流速减小。另外，在薄叶顶端与转子表面的间隙中，转子的转动方向与薄叶纵向交角接近90。，转子带动的气流阻抗泄漏流，导致流经此间隙的泄漏流量可忽略不计。从图5很容易发现两个局部马赫数峰值区，一是薄叶高压侧底部间隙与主体间隙交界处，在此处高压气体由小容积向低压大容积剧烈膨胀；二是底部间隙出口，泄漏流在那里汇聚流向低压侧板顶部间隙。24泄漏量和摩擦扭矩随上浮量的变化本节讨论两个问题一是在气封的稳定工作状态下，给定薄叶的两个抬起量即上浮量，薄叶抬起后薄叶顶端与转子表面之间的间隙，计算泄漏流量，用反证法证明薄叶上浮量对泄漏流量影响不大；二是应用摩擦力矩的简化算法，计浮量以及转子转速对扭矩的影响。对于表1所载转子的各个转速，假设气封完全上浮，不存在薄叶与气封的直接接触，则薄叶底部与轴之间具有相对运动，中间的空气形成摩擦剪切力，对轴产生附加力矩。如图6所示，假设转子以作圆周运动，R，处的切线速度为，半径为R的薄叶顶端不动，由于转子与薄叶顶端之间的相对运动，两者之间的气体形成摩擦剪切力，当内外环之间的空间非常小时，流动按层流处理，可计算二者之间的摩擦力。LFDAR2RLBRMFR1其中，为气封的宽度。这一估算方式获得的力矩值偏大，因为没有考虑到薄叶叶片之间的间隙，该间隙的存在会使剪切力相对于图6的假设方案要小。图6简化力矩计算用图设某汽轮机分别稳定工作在1000RMIN、3000RMIN和5000RMIN，并分别给定薄叶上浮间隙为1M和101XM，计算每一种转速下各上浮量的泄漏流量和扭矩，后者采用简化算算薄叶上浮间隙中气体对转子产生的附加扭矩，讨论薄叶上法，并将计算结果表示在表3和表4。表3假设上浮间隙为1M时的计算结果从表3和表4所载的数据可见，在压比相同的前提下，薄叶上浮间隙无论是1M还是10PM，泄漏流量随转速的变化都很小，这说明转速对薄叶气封的漏气量影响不大。可是，比较转速和压比相同情况下不同薄叶上浮量气封的泄漏流量，如数据显示的那样，上浮量为1M的气封比上浮量为10TXM的密封效果差。这是因为上浮量越大，薄叶顶端与转子表面之间的间隙越大，转子高速旋转带动的气体越多，这部分气体对泄漏流动的封堵抵消了薄叶顶端与转子表面间隙的增加。特别是薄叶抬起越高，底部间隙的高度越小，上面的分析已经说明气封的漏汽量主要是由底部间隙漏出的。显而易见，薄叶上抬量越大，其密封性能越好。当然，上浮量不能超过一定的数值，如果超过了，通过薄叶顶端与转子表面间隙的泄漏流量将不可忽略，这样的薄叶气封其设计是不合理的。表3和表4的数据还表明了扭矩的变化规律在同一上浮量下，扭矩随转速的升高而增加；在相同转速下，上浮量越小，摩擦扭矩越大。扭矩源于转子表面和气体的相对运动所产生的壁面摩擦应力。当上浮量相等时，随着转子转速的提高，气体层与层之间的速度梯度增加，它们相对运动产生的摩擦力也就增大。当转速相同时，由于低上浮量下薄叶顶端与转子表面环形间隙薄，气体的速度梯度大，气体层与层之间的摩擦力也大，从而摩擦扭矩也就随之增加。下转第80页80汽轮机技术第54卷4后置处理器的实现及验证J41后置处理器实现VMC1250五轴联动叶片加工中心配置了西门子840D系统。根据该系统的编程格式，基于UG以及PROE软件平台，采用式6进行代码转换部分程序设计。软件操作界面如图4所示。提供源代码文件和G代码文件路径的编辑框，并采用了WINDOWS系统内置的打开开文件和保存文件等对话框。点击误差补偿菜单后，跳出误差补偿界面可以对各个轴进行误差修正。图4软件误差补偿界面42后置处理器验证本文采用了某汽轮机低压三级动叶片作为实验零件，通过该后置处理器处理出的加工程序，在VERICUT70里面进行G代码仿真，仿真结果验证了该后置处理器的正确性，如图5、图6所示。图5叶片刀具轨迹仿真仿真验证后，在VMC1250立式五轴联动高速铣削加工图6叶片G代码轨迹仿真中心上实现了叶片叶身实体高速铣削加工。加工中整体叶片无过切现象，加工过程平稳，通过调整误差修正参数，可以修正由于工装以及工艺基准产生的误差，从而验证了该误差补偿后处理器的正确性。5结束语本文对叶片在五轴加工中由于工装以及工艺基准差生的误差进行了分析，并提出了一种误差补偿方法，通过对国产五轴数控机床VMC1250运动学求解，推导出数学模型，并加载了误差修正数学模型，为该机床开发了专用后置处理程序，经过试验，验证了该补偿方法的正确性，并已经成功运用到某汽轮机厂的叶片生成过程中。参考文献1唐清春，吴汉夫CAM后置处理技术现状与发展趋势J机械，2009，1243452袁哲俊，刘雄伟，刘华明五坐标端铣数控加工计算理论分析J机械工程学报，1993，29131373唐清春，吴汉夫叶片五坐标联动加工后置处理开发及应用J汽轮机技术，2009，5164754774何永红，齐乐华，赵宝林双转台五轴数控机床后置处理算法研