凸臺(tái)高度對(duì)高低齒迷宮式汽封性能的影響

曲秀蘭，石計(jì)紅，潘寶財(cái)

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

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凸臺(tái)高度對(duì)高低齒迷宮式汽封性能的影響

曲秀蘭，石計(jì)紅，潘寶財(cái)

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

本文利用數(shù)值模擬的方法對(duì)高低齒迷宮式汽封的特性進(jìn)行了研究。通過研究獲得了該型汽封的漏氣量，并獲得了不同凸臺(tái)高度對(duì)汽封內(nèi)部流場(chǎng)的影響情況，通過確定合適的凸臺(tái)高度使得泄漏量減少，從而提高汽輪機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。

汽封；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽封裝置廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)動(dòng)、靜之間，用來(lái)減少或防止蒸汽泄漏和空氣漏入的汽輪機(jī)裝置。高低齒迷宮式汽封作為一種非接觸式汽封，其泄漏量的存在是必然的。影響高低齒汽封的因素很多，如汽封間隙、凸臺(tái)高度、齒間距、齒高和齒數(shù)等。本文研究的重點(diǎn)凸臺(tái)高度對(duì)高低齒汽封性能的影響，最終確定合適的凸臺(tái)高度使得泄漏量減少，從而提高汽輪機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算域模型

圖1是某高低齒汽封的幾何結(jié)構(gòu)示意圖，數(shù)值模擬時(shí)只截取了汽封的一個(gè)弧段（軸半徑R=166mm，占圓周3°的一個(gè)弧段）。齒間距設(shè)為8mm。齒與軸之間的漏氣間隙d=0.5mm，高齒高為10.5mm，凸臺(tái)高度h為4mm，凸臺(tái)寬度為6mm，汽封段長(zhǎng)度49mm。

圖1 高低齒汽封流道的幾何結(jié)構(gòu)圖

在1907年，Becker通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于密封泄漏量的影響不大。因此本文采用定常二維模型對(duì)高低齒流動(dòng)情況進(jìn)行分析是合理的。

1.2 邊界條件

模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，邊界條件如表1。

近轉(zhuǎn)軸位置設(shè)定成旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速值設(shè)定為3000轉(zhuǎn)/分鐘，蒸汽沿汽封周向運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)周期性的狀態(tài)，因而可以對(duì)弧段的兩個(gè)斷面應(yīng)用周期性邊界條件。

表1 邊界條件

2 數(shù)值模擬結(jié)果

保持汽封其它幾何參數(shù)不變，凸臺(tái)高度由0mm增加到6mm，對(duì)這幾種情況進(jìn)行二維流場(chǎng)模擬，得到了汽封內(nèi)部流場(chǎng)的具體情況和各自的汽封泄漏量。當(dāng)凸臺(tái)高度為1mm時(shí)，該汽封結(jié)構(gòu)接近于平齒汽封，在汽封腔內(nèi)兩個(gè)大渦起主要作用，兩個(gè)小渦流的強(qiáng)度相對(duì)較小，因此漏汽量仍然比較大。當(dāng)凸臺(tái)高度變?yōu)?mm時(shí)，汽封腔內(nèi)的渦流的強(qiáng)度值達(dá)到最大，此時(shí)的汽封泄漏量最小。伴隨凸臺(tái)高度的增加，腔內(nèi)的有效容積將逐漸變小，導(dǎo)致沒有足夠的空間形成渦流，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿某潭炔粔虺浞郑瑢?dǎo)致漏氣量逐漸變大。

表2 泄漏量 kg/s

表2給出了不同工況與不同凸臺(tái)高度下泄漏量的計(jì)算結(jié)果。

圖2中為在兩個(gè)工況下不同凸臺(tái)高度下的無(wú)量綱——流量系數(shù)變化曲線。

圖2 不同凸臺(tái)高度下的無(wú)量綱——流量系數(shù)曲線

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知，在兩種工況下流量系數(shù)隨著凸臺(tái)高度的增加呈現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，當(dāng)凸臺(tái)高度為4mm時(shí)流量系數(shù)最小。凸臺(tái)高度繼續(xù)增加到5mm和6mm時(shí)，流量系數(shù)基本沒有太大的變化，凸臺(tái)高度為3mm、4mm、5mm、6mm時(shí)，它們的汽封性能十分接近。由于兩個(gè)工況下的曲線具有相同變化趨勢(shì)，因此，此時(shí)工況的變化并沒有影響汽封結(jié)構(gòu)對(duì)于泄漏量的決定作用，因此幾何參數(shù)主要影響汽封泄漏量。

3 結(jié)論

本文對(duì)不同凸臺(tái)幾何尺寸汽封模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明對(duì)于一定幾何參數(shù)汽封裝置，存在一個(gè)最佳的凸臺(tái)高度。凸臺(tái)高度從0mm變到6mm時(shí)，汽封泄漏量先減少后增加。凸臺(tái)高度對(duì)于流場(chǎng)的影響是影響了空腔內(nèi)的動(dòng)能耗散的過程。當(dāng)凸臺(tái)高度為4mm時(shí)對(duì)于所設(shè)計(jì)的尺寸來(lái)說，空腔內(nèi)的渦流達(dá)到了最佳的狀態(tài)，動(dòng)能耗散最少，因此在各種凸臺(tái)高度中它的泄漏量最少。此時(shí)的汽封性能最好。

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