汽轮机刷式汽封流场数值计算
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一
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热力透平
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刷式 汽封 的泄 漏量 随着 压 比 ／ （ 封 人 口压 力 与 ９ 汽
０ ０ ３ ｍ 时 比较 低 ， ．４ ２ ｍ 因此 刷丝 纵 向 的分 布并 不 是
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 ， 文 计 算 数据 与试 验 测 量 数 据 本 误差 ＜１ ％ ， 见本 文计 算 的方 法 和 结 果 是 正 确 ０ 可
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ＨＵ ｎ— ｉ Ｓ Ｄａ ｍｅ ， ＨＥＮＧ ｎ ＦＥ１Ｘｉ ｏ ｌ Ｙｎ ｇ， ａ —ｕ
２ ％左 右 Ｊ 。若将 刷 式 密 封 用 到压 气 机 叶尖 间 隙处 ， 使 压 气 机 效 率 提 高 ２ ， 振 裕 度 提 高 可 ％ 喘
５ 。对 汽轮机 而 言 ， 轮机泄 漏损 失约 占 内部 损 ％ 汽 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 ２ ％ 和 ７ ， ２ ％ 大约 与静 叶 或 动 叶 中的型线 损 失 和二 次 流 损 失 之 和 （ ３ ％ ） 为 ０
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 ， 丝 的 自由端 刷 与轴 表面接 触 ， 密 的 细 金 属丝 阻隔 了工 质 的 泄 致
刷 毛 隶
容易恢 复 闭合状 态 ， 保证 优越 的封 严性 ， 短 时期 在 与轴过 盈接 触后 ， 会像 迷 宫密封 一样 ， 不 出现永 久
的。 ３ ２ 刷 丝横 向间隙对 泄漏 量 的影 响 ．
越 紧越好 。刷 丝 纵 向 间 隙接 近 ０时 ， 漏 流体 缺 泄 少 了刷丝 问横 向 的流 动 ， 要 方 向 的流 动 没有 被 主 刷丝 破坏 ， 泄漏量 不 能得 到较 好 的控制 。当然 ， 使 如果 纵 向间 隙过 大 ， 丝 对 流 体 的阻 碍 能力 就会 刷
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图 １ 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
２ 刷 式 汽 封 流 场 数 值 计 算 模 型
２ １ 有效 厚度模 型 ．
气体 人 口压力 、 口压 力 、 口温 度 以及气 体 常数 出 出
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ａ ｃ ｒｉｇ ｔ ｈ ｅｆｃｉｅ ｔｉｋ ｅｓ ｃ ｏｄｎ ｏ ｔｅ ｆ ｔ ｈｃ ｎ ｓ ｍｏ ｅ ｆ ｔｅ ｒｓ ｅ ｌ ｔｅ ｅ ｌｆ ｗ ｆ ｌ ｉ Ｍｃ ｔｄ ｅ ｖ ｄ ｌｏ ｈ ｂｕ ｈ ｓａ ， ｈ ｓａ ｏ ｅｄ ｓ ｌ ｉ ｃ ｄａｅ
率增 量 的情况 下 ， 造 汽 封 比改 造 叶 片更 节 省 成 改
本和 时 间。本 文利用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软件 对刷式 汽封 流
场及 其影 响 因素 进 行 了数 值 计 算 ， 得 出一 些 分 并 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 、 游 环及 夹装 在 两 者 之 下
及 气 体粘度 等 。图 ２为 有效 厚度 模 型刷毛 束 的 随
Ｋ ｕ ｓｎ 提 出 的均 匀交 错管 道模 型 ， 于 分 ｎ ｄｅ 用 析流体 流 过管 束 时 所 产 生 的压 力 降 。受 此 启 发 ，
１９ ９ １年 ，ｈ ｐ 利 用 方 形 交 错 排 布 圆柱 模 型来 Ｃ ｕｐ 描 述刷式 汽 封 。Ｈ ｌ ｌ ｏｅ ｌ 对此 进 行 了修订 ， 出 了 提 六边 形 交 错 排 布 圆柱 模 型 。在 此 基 础 上 Ｍｏｉ ｄ＿ ８ 建 立 了 随 机 交 错 排 布 管 道 模 型 。 １９ 年 ， ９６
（ ．Ｓ ｈ ｏ ｏ ｈ ｒ ｌ ｏ ｒ Ｅ ｖｒｎ ｎａ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ Ｓ ａ ｇ ａ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｌ ｔｃ Ｐ ｗｅ ， １ ｃ ｏ ｌ ｆ ｅｍａ Ｐ ｗｅ ＆ ｎ ｉ ｍｅ ｔｌ ｎ ｉｅ ｒ ， ｈ ｎ ｈ ｉ ｎ ｅｓｙｏ ｅ ｒ ｏ ｒ Ｔ ｏ ｎ ｖ ｔ Ｅ ｃｉ Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０９ １ Ｃ ｉａ ２ Ｊ ｎ ｓ ｕｂｎ ｅ ｌ ｇ ・ｅ ｈ ｎ ｇ ．Ｔ ，Ｎ ｎｎ １０ ６ Ｃｈｎ ） ｈ ｎ ｈ ｉ０ ０ ０ ， ｈｎ ； ． ｉ ｇ ｕＴ ｒｉｅＳ ａ Ｈｉ Ｔ ｃ ｏ ｏ ｙＣｏ Ｌ Ｄ． ａ ｊ ｇ２ ０４ ， ｉ ａ ｈ ｉ ａ
减 小 ， 以泄漏 量就 会增 大 。 所
３ ４ 刷 丝直径 对泄 漏量 的 影响 ．
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在刷 丝直径 ｄ 为 ０ ０ １ ｍ Ｓ ． ７ １ ｍ， 为０ ０ ５ ６ ．３５
ｍ 以及 压 比 Ｐ 为 ３ ９ ｍ ， ． ｌ的条件 下 ， 变 ５ ／Ｓ 改 的
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泄漏 气体
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 、 毛倾 斜 排 布 角 、 毛 密 集 度 、 刷 刷
图 ２ 刷 式 汽 封 的有 效 厚 度 模 型
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汽 轮机刷 式汽封 流场数值 计算
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Ｃ ｕ ｐ 解 决 了刷 毛 随 机 分 布 的 定 量 描 述 问 题 ， ｈｐ 对 ９种 刷 式 汽 封 的 实 验 数 据 进 行 了统 计 分 析 处
理 ， 成并 完善 了定 量 分 析刷 式 汽封 密 封 特 性 的 形
在 一定 的有效 厚 度 下 ， 横 向 间 隙 与纵 向 间 在
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 ， ＜ Ｌ／Ｓ ４时泄 漏量 和 泄漏 量 的 变 ｓ 化 量都 比较 小 。当 ｓ ／Ｓ ＞４时 ， 漏 量 和 泄 漏 泄 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 ， 此 范 围内介 质 在
设 备轴 向长 度 的限制 ， 宫密封 泄漏 量较 大 ， 能 迷 若
尽 量减 小这 一 泄 漏 损失 ， 轮机 或 燃 气 轮 机 的效 汽 率和 功率将 得 到 有 效 提 高 ， 厂将 由此 获 得 巨 大 电 的经 济效益 … 。
美 国于 １８ ９ ８年 开 展 了一 项综 合 高 性 能透 平
— Ｉ 黧 圆 ●
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 ， 式 汽 封 的结 构 如 图 １ 刷
漏通 道 。刷毛 沿 转 子 旋转 方 向有 一 定 倾 角 ， 样 这
刷 毛通 过 柔性 退 让 能 吸 收 转 子 径 向偏 移 ， 且 很 并
４ ～％ ， ％ ６ 航空 发动 机推 力增 大 ２ ， 油率 降低 ％ 耗
收 稿 日期 ：０ １ ５—２ ２ １ —０ ６ 修 订 日期 ：０ １— ６— ７ ２ １ ０ ２
基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ００ ０ ５ 和上海市教育委员会科研创新重点项 目（ １ Ｚ ７ ） ５ ７６ ２ ） １ Ｚ １１ 资助。 作者简介 ： 胡丹梅（ ９ ２一） 女 ， １７ ， 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。
相等 Ｊ 。以某机 组为 例 ， 叶顶 间隙 的平 均值 约 其
为 １ １ ｍ 而动 叶 叶高 为 Ｌ＝１ ｒ ～２ ｍｍ。两 ．５ ｍ， ７ｍ ４ ａ
者之 比约为 ５ ８ 。若 将 间 隙 降 到 ０ ５ ｍ， 可 ．％ ．ｍ 则
增加 功率 约 ２ 。从 某 种 角度 看 ， 获 得 同 样效 ％ 在
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Ｋｅ ｒ ｓ ｓｅ ｍ ｅ ｌ ｒ ｓ ｅ ｌ ｕ ｒ ａ ａ ｃ ｌｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｔａ ｓ ａ ；ｂ ｕ ｈ ｓ ａ ；ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｌｕ ａ ｉ ｉ ｃ ｏ
传 统 的迷 宫 密 封 为一 种 非 接触 式 密 封 ， 由于 其不 需要 润滑 ， 许 自由热 膨 胀 ， 允 维修 方便 ， 且 并 不受 转速 限制 ， 因此 广 泛 应 用 于 汽 轮 机 、 气 轮 燃 机 、 缩机 和 鼓 风机 的轴 端 和 级 间 。然 而 由于受 压
技 术 （Ｈ Ｔ Ｔ） Ｉ Ｐ Ｅ 的研 究计 划 ， 三 维 叶片 和刷 式密 将
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 ， 式 密 封 已在 许 多 刷 航 空发 动机 、 轮机 和燃 气轮机 中得 到推 广应 用 。 汽 刷 式 密封 能 适 应 转 子 的瞬 间径 向 变 形 或 偏 心 运 动 ， 不显 著增 大泄漏 率 。实验 研究 表 明 ， 式密 且 刷 封 的泄 漏 量 是 迷 宫密 封 的 １ ５～１ １ ， 改 善 了 ／ ／０ 并 转 子 的稳定 性 ， 式 密封 可使 燃 气 轮 机 出力 提 高 刷
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 ： 封 ； 式 汽封 ； 值 计 算 汽 刷 数 中 图分 类 号 ： Ｋ ６ ． Ｔ ２３２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２— ５９ ２ １ Ｊ３— １８— ４ １７ ５ ４ （０ １ ０ ０ ８ ０
ｏ ｔ ｉｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｓｔ ａ ｉｍｅ ｅ ， ｅ ｄ ｎ ｉ ｎ ｈ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｏ ｒ ｓ ｒ ｔ ｓｈ ｖ ｏ ａ ｌ ｆ ｃ ｎ ｂ ｕ ｈ ｂ ａｎ ｄ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ａ ｔｒ ｔ ｅ ｓｔ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓ ｕ ｉ ｆｂ ｕ ｈ ｂ ｉ ｌ ａ ｅｎ ｔ ｂ ｅｅｆ ｔ ｒ ｓ ｄ ｈ ｙ ｉ ｒ ｏ ｓｅ ｅ ｏ
第４ ０卷
第 ３期
热 力 透 平
Ｔ Ｈ Ｅ Ｒ Ｍ Ａ Ｌ ＴＵ Ｒ Ｂ Ｉ Ｅ Ｎ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ３ １４ ．
２１ ０ １年 ９月
Ｓｅ ｔ ０１ ｐ ．２ １
汽轮机 刷 式汽封 流场 数 值计 算
胡丹梅 沈 ， 洋 费孝律 ，
（ ． 海 电 力 学 院 能 源 与 环 境 ５ 程 学院 动 力 系 ， 海 ２ ０９ ； ． 苏透 平 密封 高科 技 有 限公 南 京 ２ ００ ） １上 － 上 ０００ ２ 江 １００ 摘 要 ： 据 刷 式 汽 封 的 有 效 厚 度 模 型 ， 刷 丝 中蒸 汽 的 流 动 进 行 数 值 计 算 ， 出 了刷 丝 流 场 的 压 力 场 、 度 根 对 得 温
０ ０ Ｏ
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刷式 汽封 的泄 漏量 随着 压 比 ／ （ 封 人 口压 力 与 ９ 汽
０ ０ ３ ｍ 时 比较 低 ， ．４ ２ ｍ 因此 刷丝 纵 向 的分 布并 不 是
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 ， 文 计 算 数据 与试 验 测 量 数 据 本 误差 ＜１ ％ ， 见本 文计 算 的方 法 和 结 果 是 正 确 ０ 可
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２ ％左 右 Ｊ 。若将 刷 式 密 封 用 到压 气 机 叶尖 间 隙处 ， 使 压 气 机 效 率 提 高 ２ ， 振 裕 度 提 高 可 ％ 喘
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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 ， 丝 的 自由端 刷 与轴 表面接 触 ， 密 的 细 金 属丝 阻隔 了工 质 的 泄 致
刷 毛 隶
容易恢 复 闭合状 态 ， 保证 优越 的封 严性 ， 短 时期 在 与轴过 盈接 触后 ， 会像 迷 宫密封 一样 ， 不 出现永 久
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越 紧越好 。刷 丝 纵 向 间 隙接 近 ０时 ， 漏 流体 缺 泄 少 了刷丝 问横 向 的流 动 ， 要 方 向 的流 动 没有 被 主 刷丝 破坏 ， 泄漏量 不 能得 到较 好 的控制 。当然 ， 使 如果 纵 向间 隙过 大 ， 丝 对 流 体 的阻 碍 能力 就会 刷
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图 １ 刷 式 汽 封 结 构
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２ 刷 式 汽 封 流 场 数 值 计 算 模 型
２ １ 有效 厚度模 型 ．
气体 人 口压力 、 口压 力 、 口温 度 以及气 体 常数 出 出
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刷式 汽封 由上 游 环 、 游 环及 夹装 在 两 者 之 下
及 气 体粘度 等 。图 ２为 有效 厚度 模 型刷毛 束 的 随
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泄漏 气体
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 、 毛倾 斜 排 布 角 、 毛 密 集 度 、 刷 刷
图 ２ 刷 式 汽 封 的有 效 厚 度 模 型
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汽 轮机刷 式汽封 流场数值 计算
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理 ， 成并 完善 了定 量 分 析刷 式 汽封 密 封 特 性 的 形
在 一定 的有效 厚 度 下 ， 横 向 间 隙 与纵 向 间 在
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 ， ＜ Ｌ／Ｓ ４时泄 漏量 和 泄漏 量 的 变 ｓ 化 量都 比较 小 。当 ｓ ／Ｓ ＞４时 ， 漏 量 和 泄 漏 泄 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 ， 此 范 围内介 质 在
设 备轴 向长 度 的限制 ， 宫密封 泄漏 量较 大 ， 能 迷 若
尽 量减 小这 一 泄 漏 损失 ， 轮机 或 燃 气 轮 机 的效 汽 率和 功率将 得 到 有 效 提 高 ， 厂将 由此 获 得 巨 大 电 的经 济效益 … 。
美 国于 １８ ９ ８年 开 展 了一 项综 合 高 性 能透 平
— Ｉ 黧 圆 ●
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 ， 式 汽 封 的结 构 如 图 １ 刷
漏通 道 。刷毛 沿 转 子 旋转 方 向有 一 定 倾 角 ， 样 这
刷 毛通 过 柔性 退 让 能 吸 收 转 子 径 向偏 移 ， 且 很 并
４ ～％ ， ％ ６ 航空 发动 机推 力增 大 ２ ， 油率 降低 ％ 耗
收 稿 日期 ：０ １ ５—２ ２ １ —０ ６ 修 订 日期 ：０ １— ６— ７ ２ １ ０ ２
基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ００ ０ ５ 和上海市教育委员会科研创新重点项 目（ １ Ｚ ７ ） ５ ７６ ２ ） １ Ｚ １１ 资助。 作者简介 ： 胡丹梅（ ９ ２一） 女 ， １７ ， 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。
相等 Ｊ 。以某机 组为 例 ， 叶顶 间隙 的平 均值 约 其
为 １ １ ｍ 而动 叶 叶高 为 Ｌ＝１ ｒ ～２ ｍｍ。两 ．５ ｍ， ７ｍ ４ ａ
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增加 功率 约 ２ 。从 某 种 角度 看 ， 获 得 同 样效 ％ 在
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传 统 的迷 宫 密 封 为一 种 非 接触 式 密 封 ， 由于 其不 需要 润滑 ， 许 自由热 膨 胀 ， 允 维修 方便 ， 且 并 不受 转速 限制 ， 因此 广 泛 应 用 于 汽 轮 机 、 气 轮 燃 机 、 缩机 和 鼓 风机 的轴 端 和 级 间 。然 而 由于受 压
技 术 （Ｈ Ｔ Ｔ） Ｉ Ｐ Ｅ 的研 究计 划 ， 三 维 叶片 和刷 式密 将
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 ， 式 密 封 已在 许 多 刷 航 空发 动机 、 轮机 和燃 气轮机 中得 到推 广应 用 。 汽 刷 式 密封 能 适 应 转 子 的瞬 间径 向 变 形 或 偏 心 运 动 ， 不显 著增 大泄漏 率 。实验 研究 表 明 ， 式密 且 刷 封 的泄 漏 量 是 迷 宫密 封 的 １ ５～１ １ ， 改 善 了 ／ ／０ 并 转 子 的稳定 性 ， 式 密封 可使 燃 气 轮 机 出力 提 高 刷
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 ： 封 ； 式 汽封 ； 值 计 算 汽 刷 数 中 图分 类 号 ： Ｋ ６ ． Ｔ ２３２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２— ５９ ２ １ Ｊ３— １８— ４ １７ ５ ４ （０ １ ０ ０ ８ ０
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第４ ０卷
第 ３期
热 力 透 平
Ｔ Ｈ Ｅ Ｒ Ｍ Ａ Ｌ ＴＵ Ｒ Ｂ Ｉ Ｅ Ｎ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ３ １４ ．
２１ ０ １年 ９月
Ｓｅ ｔ ０１ ｐ ．２ １
汽轮机 刷 式汽封 流场 数 值计 算
胡丹梅 沈 ， 洋 费孝律 ，
（ ． 海 电 力 学 院 能 源 与 环 境 ５ 程 学院 动 力 系 ， 海 ２ ０９ ； ． 苏透 平 密封 高科 技 有 限公 南 京 ２ ００ ） １上 － 上 ０００ ２ 江 １００ 摘 要 ： 据 刷 式 汽 封 的 有 效 厚 度 模 型 ， 刷 丝 中蒸 汽 的 流 动 进 行 数 值 计 算 ， 出 了刷 丝 流 场 的 压 力 场 、 度 根 对 得 温