汽轮机刷式汽封流场数值计算胡丹梅;沈洋;费孝律【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.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2011(040)003【总页数】5页(P188-191,202)【关键词】汽封;刷式汽封;数值计算【作者】胡丹梅;沈洋;费孝律【作者单位】上海电力学院能源与环境工程学院动力系,上海200090;江苏透平密封高科技有限公司,南京210000;上海电力学院能源与环境工程学院动力系,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TK263.2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［1］。
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1/5～1/10，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［2－3］。
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［4］。
以某机组为例，其叶顶间隙的平均值约为1.15mm，而动叶叶高为L=17mm～24mm。
两者之比约为5.8%。
若将间隙降到0.5mm，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间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。
图1 刷式汽封结构2 刷式汽封流场数值计算模型2.1 有效厚度模型Knudsen［5］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［6］利用方形交错排布圆柱模型来描述刷式汽封。
Holle［7］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［9］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、上游环内径和下游环内径;还计及了环境参数，如气体入口压力、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机分布示意图。
图中，ST，为刷毛横向间距;SL为刷毛纵向间距;db为刷毛丝直径。
有效厚度B，是度量刷丝紧密度的一个尺度，是刷式汽封主要结构参数和环境参数的综合。
该值愈大，刷毛束愈疏松;反之，该值愈小，刷毛束愈紧密。
在一定雷诺数范围内，当地的刷密封特性可以用一个修正的泄漏流量系数φ来描述:图2 刷式汽封的有效厚度模型式中:W为体积泄漏率(m3/s);Tu为上游汽体总温(K);Pu为上游汽体总压(MPa);Au 为刷封上游的漏气间隙面积(m2)。
2.2 数值计算模型根据文献［9］参数，建立刷式汽封流场的几何模型，进行网格化分，施加边界条件，进行数值计算，刷式汽封计算网格如图3所示。
图3 刷式汽封模型及网格划分设置边界条件:入口边界:压力入口，给定总温总压。
出口边界:压力出口，给定出口静压。
固壁边界:绝热无滑移固体壁面。
周期性边界:定义左右两侧计算边界为周期性边界。
紊流模型:选用k－ε模型双方程模型，近壁区域采用标准壁面函数。
计算得出的速度矢量图和压力场分布如图4和图5所示:可见，气流在流过紧密的刷丝束区域发生偏流，这些偏流在刷丝排之间逐渐形成同向流和射流，并产生随机的二次流和旋涡流。
当射流遇到前面紧密的刷丝束，就会改变运动方向而变成和主流方向垂直的横向流动。
正是由于刷丝束破坏流动而确保流动的不均匀性，使流体产生了自密封效应，横向流动代替向前流动能使横流过刷子的总压降增大，从而减少密封的泄漏。
3 计算结果及分析3.1 泄漏流量系数压比对刷式汽封泄漏量的影响如图6所示。
刷式汽封的泄漏量随着压比Pr(汽封入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＜10%，可见本文计算的方法和结果是正确的。
图6 压比对泄漏量的影响3.2 刷丝横向间隙对泄漏量的影响在刷丝直径 db为 0.0711mm，SL为0.03556 mm以及压比Pr为3.91的条件下，改变ST/SL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，ST/SL＜4时泄漏量和泄漏量的变化量都比较小。
当ST/SL＞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。
图7 ST，/SL对泄漏量的影响3.3 刷丝纵向间隙对泄漏量的影响图8 刷丝纵向间隙对泄漏量的影响在刷丝直径db为0.0711mm，ST为0.1362 mm以及压比Pr为3.91的条件下，改变刷丝纵向间隙SL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 SL=0.0406mm～0.0432mm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间横向的流动，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ST/SL为3.83，纵向间隙ST为0.00508mm以及压比P为3.91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0.06096至0.0762mm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。
图9 刷丝直径对泄漏量的影响4 结论(1)在刷丝直径为0.0711mm，刷毛纵向间距为0.03556mm以及压比为3.91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0.0711mm，刷丝横向间距为0.1362 mm以及压比为3.91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0.0406mm到0.0432mm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3.83，纵向间隙为 0.00508mm 以及压比为3.91的条件下，刷丝直径在0.06096至0.0762mm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，1999，41(3):1 －5.［2］孙晓萍.刷式汽封性能和耐久性试验［J］.航空发电机，2002(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，2004，21(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，2003，45(5):1 －2，［5］Knudsen，J G，and Katz，D L.Chap.11.Flow in the Shell Side of Multitube Heat Exchangers.Fluid Dynamics and Transfer［M］，McGraw-Hill，New York，1958，pp.323 －341.［6］Chupp，R E，Holle，G F and Dowler，C A.Simple Leakage Flow Model for Brush Seals［J］.AIAA Paper，1991，No.91 －1913.［7］Holle，G F，Chupp，R E，and Dowler，C A.Brush Seal Leakage Correlations Based on Effective Thickness［A］.Proceedings of the Fourth International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery(ISROMAC －4)［C］.Honolulu，HI，Apr.5 －8，1992，pp.296 －304.［8］Modi，V.Modeling Bristle Life － Off in Idealized Brush Seal Configurations［A］.Proceedings of the Fourth International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery(ISROMAC － 4) ［C］.Honolulu，HI，Apr.5 － 8，1992，pp.623 －632.［9］R E Chupp，G F Holle.Generalizing Circular Brush Seal Leakage Through a Randomly Distributed Bristle Bed［J］.Journal of Turbomachinery，1996，118(1):153 －161.［10］李军，晏鑫，丰镇平.刷式密封泄漏流动特性影响因素的研究［J］.热能动力工程，2007 ，22(3):250－254.［11］李军，晏鑫，丰镇平，等，基于多孔介质模型的刷式密封泄漏特性的研究［J］.西安交通大学学报，2007，41(7):768－771 ，779.。
