汽轮机刷式汽封流场数值模拟

汽轮机刷式汽封流场数值模拟
胡丹梅;何平;黄烨
【摘要】建立了刷式汽封计算模型,采用数值模拟方法计算得出压力场、温度场、速度矢量场及泄漏量;通过改变刷毛直径、刷毛密度、刷毛与轴的间隙以及刷毛齿形,分析了这些结构参数对密封性能的影响规律.
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2010(039)003
【总页数】3页(P187-189)
【关键词】汽封;刷式汽封;数值计算
【作者】胡丹梅;何平;黄烨
【作者单位】上海电力学院,上海,200090;上海电力学院,上海,200090;上海电力学院,上海,200090
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.6+3
随着我国电力工业的结构调整,研制、生产和发展超临界压力机组是火力发电节约能源、改善环保、提高发电效率、降低发电成本的必然趋势。

在最近的20多年里,汽轮机的通流部分在计算流体的推动下有诸多改进,性能也有一定程度的提高,但随着汽轮机蒸汽参数的提高,漏汽损失成了制约汽轮机效率提高的最主要因素之一,减少泄漏损失便成了提高汽轮机效率的重要措施。

汽轮机汽封是汽轮机的重要密封部
件,汽轮机汽封的密封性能将直接影响到汽轮机的机组热效率。

近年出现的刷式汽封可使泄漏量比传统汽封减少20%～50%以上,提高了机组的热效率。

此外,刷式汽封的轴向长度和重量远小于传统汽封,具有结构紧凑、可靠性高、寿命长、改造变动小和维护费用低等特点。

电站汽轮机,采用该技术对降低漏汽损失、提高机组的安全运行具有重要的意义[1～6]。

本文旨在通过数值模拟的方法研究刷式汽封的结构参数对密封性能的影响规律。

1 建立刷式汽封数值计算模型
刷子汽封的优异性能,其高密封性和安全可靠性,是由它的结构参数决定的(结构如图1所示)。

刷子汽封的结构参数有:刷子细丝直径d,细丝的密度ρ,细丝长度L,倾角α,夹板厚度 b,短夹板宽度h1,长夹板宽度h2,刷子汽封片厚度B,刷子汽封片在汽封片槽中的深度H,刷子细丝探出的长度l,汽封片垫条厚度Δ,刷子汽封间隙δ,转子旋转方向和漏汽的泄漏方向等。

刷子汽封因其位置和工作条件不同,其参数也不同。

图1 刷式汽封结构
根据某国产300MW汽轮机高压缸前端轴封参数,建立刷式汽封流道的数值模型,进行数值计算,刷式汽封尺寸模型及计算网格如图2所示。

图2 刷式汽封模型及网格划分
建立刷式汽封数值模型以后,设置边界条件:
入口边界:压力入口(pressure-inlet),给定总温总压。

出口边界:压力出口(pressure-outlet),给定出口Gauge Pressure。

固壁边界:绝热无滑移固体壁面。

紊流模型:选用k-epsilon双方程模型,近壁区域采用标准壁面函数。

通过迭代运算后可以得到的速度矢量图、温度场和压力场如图3至图5所示:
图3 刷式汽封流场的速度矢量图
2 结构参数对密封性能的影响
实验表明,影响刷式汽封性能的主要结构参数有:刷毛密度、刷毛与轴间隙、刷毛直径、刷毛齿形。

因此,本文主要从这4个方面进行分析,得出它们对刷式汽封性能的影响规律。

(1)刷毛密度
从数值模拟中可以得出刷毛密度的增大将会降低气流的泄漏量,提高刷式汽封的效率;但是过大的密度会导致制造、安装、后期维护的种种不便。

图6 改变刷毛密度对泄漏量的影响
(2)刷毛直径
从图7中可以看出泄漏量在直径为0.11～0.13mm时,泄漏量渐渐变得平缓,直径再小一些时泄漏量的变化已经不明显了,所以最佳直径范围应该是0.11～0.13mm。

(3)刷毛与轴间隙
刷毛与轴的间隙从理论上是直接接触为最好;但要考虑汽机主轴的热膨胀,启动、停机过程中的共振,转动过程中的偏转,刷丝倒伏、磨损等因素,可能导致刷毛和轴之间存在间隙。

(4)刷毛齿形
图9 刷丝形状对泄漏量的影响
由图9所示,轴封齿在进汽侧不应做成圆弧状,应保持轴封齿的尖锐边缘,此时流量系数较小μ=0.7～0.8,然而轴封齿的尖锐边缘在汽轮机运行中会因摩擦而钝化,流量系数会增大到趋近于1,因此保持尖锐边缘是最好的选择。

3 结论
本文建立了刷式汽封计算模型,采用数值模拟的方法得出了刷式汽封主要结构参数对密封性能的影响规律:刷式汽封的刷毛直径越小,气密性越好,但是过小的直径对加工、安装带来巨大的挑战,不易在实际中采用;而直径过大又会影响到汽封的密闭性,所以刷式汽封的直径存在一个最佳的范围,本文计算得出的最佳范围是:0.11～
0.13mm。

刷毛密度的增大将会降低气流的泄漏量,提高刷式汽封的效率;但是,密度的增大必然伴随着刷毛直径的减小,同样会导致制造,安装,后期维护的种种不便,所以密度也是存在一个最佳范围。

刷毛与轴的间隙从理论上是直接接触最好,但要考虑到汽机主轴的热膨胀,启动、停机过程中的共振,转动过程中的偏转,刷丝倒伏、磨损等因素可能导致刷毛和轴之间存在间隙。

刷毛齿形做成尖锐边缘最好,这样的流量系数较小,从而减小泄漏量。

参考文献:
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