汽轮机中压缸迷宫式汽封完整级气动性能的分析.pdf

1、 第 29 卷 第 8 期2009 年 8 月动 力 工 程Journal of Power EngineeringVol. 29 No. 8 Aug. 2009 收 稿 日 期 :2009204202 修 订 日 期 :2009205206作 者 简 介 :杨 锐 (19832) ,男 ,四 川 江 油 人 ,助 理 工 程 师 ,硕 士 ,主 要 从 事 汽 轮 机 气 动 设 计 方 面 的 研 究 . 电 话 ( Tel. ) :13761569765 ;E2mail :eadchris hot mail. com.文 章 编 号 :100026761 (2009) 082074320

2、4 中 图 分 类 号 : T K229. 2 文 献 标 识 码 :A 学 科 分 类 号 :470. 30汽 轮 机 中 压 缸 迷 宫 式 汽 封 完 整 级 气 动 性 能 的 分 析杨 锐 , 杨 建 道 , 彭 泽 瑛(上 海 电 气 电 站 技 术 研 究 与 发 展 中 心 通 流 与 叶 片 技 术 研 究 所 , 上 海 200241)摘 要 : 通 过 对 中 压 缸 带 汽 封 通 流 级 的 数 值 模 拟 ,分 析 了 迷 宫 式 汽 封 的 气 动 特 性 ,并 通 过 对 有 无 汽封 装 置 的 通 流 级 流 动 状 况 的 比 较 ,明 确 了 泄 漏 气

3、 流 对 叶 片 的 气 动 性 能 有 一 定 的 影 响 ,尤 其 是 在 动 叶的 根 部 和 静 叶 的 顶 部 ,干 扰 效 果 明 显 . 指 出 :汽 封 装 置 对 流 动 效 率 的 影 响 明 显 . 建 议 在 现 有 基 础 上 进行 汽 封 改 型 ,以 提 高 机 组 效 率 .关 键 词 : 汽 轮 机 ; 迷 宫 式 汽 封 ; 气 动 性 能 ; 数 值 模 拟Aerodynamic Performance Analysis of Turbine Stage with LabyrinthGland in Intermediate Pressure Cylind

4、er of Steam TurbineYA N G R ui , YA N G J i an2dao , P EN G Ze2y i ng( Turbo2machinery Flow and Blade Technology Instit ute , Shanghai Electric PowerGeneration Technology Research Develop ment Center , Shanghai 200241)Abstract : The aerodynamic performance of labyrint h gland was analyzed through th

5、e numerical simulationof intermediate pressure ( IP) flow stage with labyrint h gland. By comparison of the flowing stat us for t het urbine stage wit h and without t he gland , it is found that the seal leakage has certain influence on t heaerodynamic performance of t he blades , especially at the

6、rotor blade root and stator blade tip wit h evidenteffect s. It is pointed out t hat , the gland has evident effect s on t he flowing efficiency. It is suggested t hatt he type of the gland be reformed to enhance t he unit s efficiency.Key words : steam turbine ; labyrinth gland ; aerodynamic perfor

7、mance ; numerical simulation随 着 节 能 降 耗 和 提 高 机 组 经 济 性 的 迫 切 需 要 ,目 前 对 汽 轮 机 密 封 装 置 性 能 的 研 究 越 来 越 广 泛 1 .根 据 位 置 和 功 能 的 不 同 ,汽 轮 机 通 流 级 的 密 封 装 置主 要 分 为 隔 板 汽 封 和 通 流 部 分 汽 封 . 隔 板 汽 封 是 指在 静 叶 隔 板 和 转 轴 之 间 的 汽 封 装 置 . 通 流 部 分 汽 封是 为 了 减 少 动 叶 围 带 与 汽 缸 壁 面 之 间 漏 气 以 及 动 叶根 部 与 隔 板 壁 面 之 间 漏

8、 气 的 轴 向 和 径 向 汽 封 . 目 前 ,应 用 于 透 平 机 械 的 主 要 密 封 装 置 包 括 迷 宫 式 汽 封 、刷 式 汽 封 和 蜂 窝 汽 封 2 . 其 中 ,迷 宫 式 汽 封 是 1 种 典型 的 非 接 触 式 密 封 装 置 ,其 结 构 简 单 ,密 封 原 理 清晰 ,在 旋 转 机 械 中 应 用 广 泛 3 . 在 汽 轮 机 的 高 压 端 ,由 于 缸 内 蒸 汽 压 力 高 ,为 减 少 蒸 汽 的 泄 漏 量 ,一 般 采用 高 低 式 迷 宫 汽 封 . 长 期 以 来 ,有 关 汽 封 的 设 计 仅 限于 一 元 流 动 理 论 的

9、 漏 汽 量 计 算 ,现 代 CFD 数 值 方 法的 发 展 为 汽 封 流 动 气 动 参 数 和 流 场 特 性 的 分 析 提 供了 新 的 技 术 平 台 1 .与 仅 对 汽 封 结 构 进 行 数 值 求 解 相 比 ,对 主 通 道和 汽 封 装 置 进 行 完 整 级 数 值 模 拟 能 更 为 真 实 、 客 观地 反 映 汽 封 漏 气 对 叶 片 通 道 相 关 区 域 内 流 动 的 影响 . 笔 者 运 用 商 用 计 算 软 件 Numeca 对 某 机 组 中 压第 7 级 及 第 8 级 静 叶 共 3 列 叶 片 进 行 了 有 无 汽 封 结构 的 变

10、背 压 数 值 计 算 ,结 果 表 明 :完 整 级 的 汽 封 数 值计 算 是 1 种 更 为 精 确 的 计 算 方 法 ,可 为 通 流 及 汽 封的 优 化 设 计 提 供 依 据 和 技 术 支 持 .1 计 算 方 法随 着 计 算 流 体 力 学 的 发 展 和 计 算 机 水 平 的 不 断提 高 ,CFD 方 法 在 汽 封 装 置 设 计 中 的 重 要 性 逐 渐 增加 1 . 一 方 面 ,运 用 商 用 软 件 进 行 数 值 模 拟 ,可 以 节省 经 费 ,用 最 经 济 的 手 段 在 设 计 的 初 期 得 到 有 用 的结 论 ,有 助 于 缩 短 设

11、计 周 期 ;另 一 方 面 ,很 多 在 试 验中 难 以 甚 至 无 法 实 现 的 参 数 测 量 ,通 过 CFD 方 法 可以 解 决 ,使 研 究 人 员 能 够 更 加 清 楚 地 了 解 流 场 细 节 ,从 而 提 高 设 计 水 平 . 本 文 对 纯 叶 片 通 道 和 带 汽 封 叶片 通 道 的 一 级 半 几 何 模 型 (图 1) 进 行 了 全 三 维 粘 性流 场 计 算 ,3 列 叶 片 分 别 记 为 s7 、 r7 和 s8 . 对 空 间 的离 散 采 用 中 心 差 分 格 式 ,对 时 间 的 离 散 采 用 4 阶Runge2Kutta 方 法

12、,湍 流 模 型 选 用 一 方 程 S2A 模 型 ,CFL 数 为 1. 5. 流 动 控 制 方 程 如 下 :5U_5t + F_I + F_V = Q (1)式 中 :U_ 为 物 理 变 量 ; F_ I 和 F_ V 分 别 为 无 粘 通 量 和粘 性 通 量 ; Q 为 源 项 .F_ I = f I1 i_ x + f I2 i_ y + f I3 i_ z (2)FV = f V1 i_ x + f V2 i_ y + f V3 i_ z (3)U = w 1 w 2 w 3 E(4)f Ii = w 1p 3 1 i + w i w 1p 3 2 i + w i w 2

13、p 3 3 i + w i w 3( E + p 3 ) w i- f V i =0 i1 i2 i3qi + w j ij(5)源 项 Q 包 括 哥 氏 力 和 离 心 力 的 作 用 ,对 于 叶 轮机 流 场 ,可 忽 略 体 积 力 ,则 :Q =00- 2 _ w_ + _ ( _ r_) w_ _ (0. 5 2 r2 )0(6)图 1 叶 片 及 汽 封 结 构 示 意 图Fig. 1 Blades and labyrint h gland structure2 结 果 及 分 析2. 1 气 动 性 能 参 数 的 分 析根 据 热 力 设 计 值 确 定 计 算 所 需 的

14、 边 界 条 件 ,来流 沿 轴 向 进 气 ,给 定 进 口 总 温 和 总 压 ,设 壁 面 绝 热 且无 滑 移 .通 过 改 变 出 口 静 压 来 模 拟 不 同 工 况 点 ,对 图1 的 几 何 模 型 进 行 计 算 ,得 出 其 气 动 性 能 参 数 (表 1) .表 1 气 动 性 能 参 数Tab. 1 Aerodynamic performance parameters出 口 压 力/ MPa等 熵 滞 止效 率 / %不 带 汽 封 带 汽 封通 道 流 量/ (kg s - 1)不 带 汽 封 带 汽 封汽 封 泄 漏 流 量/ (kg s - 1)s7 r7 s

15、81. 138 90. 63 88. 27 255. 91 256. 56 0. 82 1. 14 0. 821. 160 90. 71 88. 35 250. 69 251. 40 0. 80 1. 12 0. 811. 180 90. 74 88. 42 245. 88 246. 53 0. 78 1. 09 0. 80表 1 中 的 效 率 定 义 为 等 熵 滞 止 效 率 ,通 过 查 水 蒸气 表 确 定 进 、 出 口 蒸 汽 焓 值 后 ,利 用 式 (7)计 算 得 出 : 3u = h3u h3s =h3in - h3outh3in - h3outss (7)通 流 级 中

16、 的 能 量 损 失 主 要 包 括 静 叶 能 量 损 失 、 动叶 能 量 损 失 、 漏 气 损 失 和 轮 盘 摩 擦 损 失 . 纯 通 道 计 算模 型 不 存 在 漏 气 损 失 ,带 汽 封 计 算 模 型 由 于 泄 漏 损 失造 成 的 效 率 下 降 为 2. 4 %左 右 ,约 占 总 损 失 的 25 %.在 工 程 中 ,漏 气 损 失 h 一 般 定 义 为 4 : h = h 3s = G h + G tG 3u h 3s (8)式 中 : G h为 隔 板 汽 封 漏 气 量 ; G t为 围 带 汽 封 漏 气 量 ;G为 蒸 汽 进 口 流 量 ; 为 漏

17、 气 损 失 系 数 . = G h + G tG 3u = 0. 010 9 0. 090 63 =0. 009 9 (9)在 本 算 例 中 ,扣 除 漏 气 损 失 的 等 熵 滞 止 效 率 3u= 0. 906 3 - 0. 009 9 = 0. 896 4. 由 上 述 经 验 公 式 计算 得 到 的 等 熵 效 率 明 显 高 于 三 维 流 场 计 算 得 到 的 效率 值 . 这 说 明 汽 封 泄 漏 气 流 产 生 的 效 率 损 失 不 仅 与气 流 泄 漏 量 有 关 ,还 与 汽 封 泄 漏 气 流 对 主 流 的 干 扰作 用 有 关 ,因 此 对 带 汽 封

18、装 置 的 完 整 级 进 行 CFD 数447 动 力 工 程 第 29 卷 值 计 算 十 分 必 要 .2. 2 汽 封 流 场 分 析图 2 为 汽 封 压 力 分 布 示 意 图 . 由 图 2 可 以 看 出 :蒸 汽 流 过 2 个 孔 口 时 会 形 成 环 形 腔 室 ,汽 封 齿 后 的汽 室 蒸 汽 压 力 略 低 于 汽 封 齿 前 的 汽 室 蒸 汽 压 力 ,即每 个 环 形 腔 室 均 存 在 压 力 差 ,所 有 环 形 腔 室 的 压 力差 之 和 为 汽 封 进 出 口 压 力 差 . 因 此 ,从 理 论 上 来 分析 ,在 汽 封 进 出 口 压 力 差

19、 给 定 的 情 况 下 ,汽 封 齿 的 数目 越 多 ,形 成 的 环 形 腔 室 就 越 多 ,每 个 孔 口 两 侧 的 压力 差 就 越 小 ,漏 过 的 气 流 量 也 就 越 少 5 .(a) 隔 板 汽 封(b) 围 带 汽 封图 2 汽 封 静 压 分 布Fig. 2 Static pressure distribution in labyrint h gland图 3 和 图 4 分 别 为 隔 板 汽 封 和 围 带 汽 封 的 流 场细 节 图 . 从 图 中 可 以 看 出 :叶 片 通 道 内 速 度 较 大 的 主流 通 过 涡 边 缘 和 隔 板 之 间 的 间

20、 隙 流 入 汽 封 通 道 ,受环 形 隔 板 的 阻 碍 ,气 流 进 入 汽 封 通 道 后 立 刻 耗 散 为不 同 尺 度 的 涡 流 ,并 且 占 据 了 汽 封 通 道 进 口 的 大 部分 区 域 . 之 后 气 流 流 过 第 1 个 长 齿 ,进 入 长 短 齿 形 成的 “ 台 阶 状 ” 环 形 腔 室 6 ,并 且 在 这 个 腔 室 内 形 成 2个 方 向 相 反 的 旋 涡 ,迅 速 耗 散 泄 漏 气 流 的 动 能 ,使 得气 流 压 力 降 低 ,流 速 减 小 ,泄 漏 损 失 减 小 ,从 而 达 到密 封 效 果 . 在 隔 板 汽 封 和 围 带

21、汽 封 的 所 有 长 短 齿 形成 的 环 形 腔 室 中 均 存 在 上 述 流 动 现 象 . 正 是 由 于 这样 的 设 计 特 点 ,使 得 高 低 齿 式 迷 宫 汽 封 的 密 封 性 能比 平 齿 式 迷 宫 汽 封 的 好 7 .(a) 隔 板 汽 封 流 线 图(b) 隔 板 汽 封 速 度 矢 量 图图 3 隔 板 汽 封 流 场Fig. 3 Flow field of t he diaphragm gland图 4 围 带 汽 封 流 场Fig. 4 Flow field of t he shroud band gland2. 3 汽 封 泄 漏 气 流 对 主 流

22、的 干 扰从 以 上 的 流 场 分 析 可 以 看 出 ,在 动 叶 的 根 部 和静 叶 的 顶 部 均 存 在 明 显 的 泄 漏 气 流 流 动 ,汽 封 泄 漏气 流 与 主 流 的 掺 混 会 改 变 该 处 的 流 动 参 数 . 对 比 图5 中 有 、 无 汽 封 时 叶 片 r7 、 s8 的 总 压 恢 复 系 数 沿 相 对547 第 8 期 杨 锐 ,等 :汽 轮 机 中 压 缸 迷 宫 式 汽 封 完 整 级 气 动 性 能 的 分 析叶 高 的 分 布 可 以 看 出 :叶 片 r7 的 总 压 恢 复 系 数 在 叶根 处 最 小 ,说 明 在 该 处 存 在

23、较 大 的 能 量 损 失 ,加 汽 封后 ,叶 根 处 的 总 压 恢 复 系 数 减 小 ,叶 顶 处 基 本 不 变 ;叶 片 s8 的 总 压 恢 复 系 数 沿 叶 高 呈 现 出 “ 中 间 大 、 两头 小 ” 的 分 布 规 律 ,叶 根 和 叶 顶 均 存 在 明 显 的 总 压 损失 ,加 汽 封 后 ,叶 顶 的 能 量 损 失 增 加 . 由 此 可 见 ,汽 封泄 漏 气 流 对 叶 片 流 动 的 影 响 主 要 集 中 在 动 叶 的 根 部和 静 叶 的 顶 部 .对 比 有 、 无 汽 封 时 叶 片 s8 的 表 面 极 限 流 线 (图6)可 以 看 出

24、:在 叶 片 s8 的 吸 力 面 上 ,带 汽 封 通 道 计算 模 型 上 、 下 端 壁 的 二 次 流 现 象 比 纯 通 道 明 显 ,这 是由 于 汽 封 通 道 的 低 速 气 流 和 主 流 的 相 互 掺 混 ,加 剧图 5 r7 , s8 总 压 恢 复 系 数 随 相 对 叶 高 的 分 布Fig. 5 Total pressure recovery coefficient along spanwise for r7 &s8(a) 纯 通 道(b) 带 汽 封 通 道图 6 s8 表 面 极 限 流 线Fig. 6 Limiting st reamline on surf

25、ace of s8了 端 壁 附 面 层 分 离 ,造 成 一 定 的 效 率 损 失 .3 结 论(1) 迷 宫 汽 封 装 置 通 过 气 流 在 汽 封 齿 间 空 腔 形成 的 三 维 涡 流 ,将 气 流 的 动 能 转 化 为 热 能 ,从 而 起 到密 封 效 果 . 通 常 认 为 高 低 齿 的 梳 齿 式 汽 封 效 果 较 平齿 效 果 好 ,这 是 因 为 高 低 齿 汽 封 易 形 成 “ 台 阶 状 ” 空腔 ,使 得 气 流 在 空 腔 中 形 成 2 个 旋 向 相 反 的 旋 涡 ,从而 耗 散 效 果 更 强 .(2) 通 过 对 气 动 性 能 参 数 的

26、 分 析 表 明 :汽 封 装置 对 效 率 的 影 响 不 仅 与 泄 漏 特 性 有 关 ,还 与 泄 漏 气流 对 主 流 的 干 扰 特 性 有 关 .(3) 位 于 上 、 下 端 壁 的 围 带 和 隔 板 汽 封 ,其 泄 漏气 流 直 接 与 上 、 下 端 壁 的 气 流 相 掺 混 ,从 而 影 响 该 处的 气 动 参 数 分 布 . 动 叶 的 根 部 和 静 叶 的 顶 部 受 泄 漏气 流 “ 喷 射 ” 作 用 的 影 响 较 大 ,而 在 动 叶 的 顶 部 和 静叶 的 根 部 ,泄 漏 气 流 “ 卷 吸 ” 进 入 扩 压 空 腔 ,因 而 密 封效 果

27、较 好 .(4) 从 本 文 的 研 究 可 以 看 出 ,汽 封 装 置 对 机 组效 率 的 影 响 明 显 . 因 此 ,应 在 现 有 的 基 础 上 进 行 汽 封改 型 ,设 计 先 进 的 汽 封 装 置 ,以 提 高 机 组 效 率 和 降 低热 耗 .参 考 文 献 :1 T HIEMANN T , L AZZER A DE. 运 用 现 代 CFD 方 法设 计 高 效 率 的 汽 轮 机 J . 热 力 透 平 ,2003 ,32 (2) : 86294.2 CHU PP R E , H ENDRICKS R C , LA TTIME S B.Sealing in Tur

28、bomachinery J . Journal of Propulsionand Power ,2006 ,22 (2) :3132346.3 蔡 虎 ,朱 斌 ,徐 星 仲 ,等 . 汽 封 结 构 内 部 流 动 现 象 的 数 值研 究 J .工 程 热 物 理 学 报 ,2000 ,21 (6) :6942696.4 蔡 颐 年 . 蒸 汽 轮 机 M . 西 安 :西 安 交 通 大 学 出 版 社 ,1988.5 宁 哲 ,赵 毅 ,王 生 鹏 . 采 用 先 进 汽 封 技 术 提 高 汽 轮 机 效率 J . 热 力 透 平 ,2009 ,38 (1) :15224.6 韩 中 合 ,康 也 嘉 . 汽 轮 机 直 齿 与 斜 齿 汽 封 内 部 流 场 的 数值 计 算 与 结 构 优 化 J . 动 力 工 程 ,2007 ,27 (4) : 4732476.7 李 军 ,吕 强 ,丰 镇 平 ,等 . 高 低 齿 迷 宫 式 汽 封 泄 漏 流 动 特性 研 究 J . 机 械 工 程 学 报 ,2006 ,42 (5) :1652168.647 动 力 工 程 第 29 卷