張志勇，李軍，江生科

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

透平機(jī)械旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和數(shù)值驗(yàn)證

張志勇，李軍，江生科

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

文章針對(duì)透平機(jī)械旋轉(zhuǎn)密封的性能試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了迷宮密封試驗(yàn)臺(tái)。所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速是8 000 r/m in。在此基礎(chǔ)上，采用商用CFD軟件CFX對(duì)所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究。數(shù)值研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)可以滿足對(duì)密封性能的試驗(yàn)要求。

透平機(jī)械，旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)，迷宮密封，泄漏特性，數(shù)值模擬

1 前言

在透平機(jī)械中，靜子部件與轉(zhuǎn)子部件之間的工質(zhì)泄漏是主要損失源之一，減小泄漏量是提高透平效率的一個(gè)有效途徑。因此，密封問(wèn)題的設(shè)計(jì)研究在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有非常重要的意義，對(duì)火力發(fā)電的主要設(shè)備汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等透平機(jī)械的設(shè)計(jì)尤為重要?，F(xiàn)代火力發(fā)電技術(shù)對(duì)動(dòng)力裝置越來(lái)越高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要求推動(dòng)了透平機(jī)械密封技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的轉(zhuǎn)子和靜子間的旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)可顯著提高透平機(jī)械的工作效率和可靠性[1-3]。

旋轉(zhuǎn)密封性能的研究方法主要有熱力學(xué)分析方法、計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值分析方法以及試驗(yàn)測(cè)量方法等?，F(xiàn)在試驗(yàn)研究工作主要集中在密封泄漏量的計(jì)算及其影響因素 （泄漏特性）、流體激振力的測(cè)量及其影響因素 （動(dòng)力特性）、密封內(nèi)溫升原理及其影響因素 （傳熱特性）、密封內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)及其影響因素 （流場(chǎng)顯示）[4-6]。

Reger Paolillo等[7]針對(duì)直齒臺(tái)階型蜂窩面迷宮密封和斜齒臺(tái)階型蜂窩面迷宮密封開展了泄漏特性及其轉(zhuǎn)速影響的試驗(yàn)研究。Ahmed和John[8]試驗(yàn)研究了密封齒的形狀、厚度以及轉(zhuǎn)子偏心對(duì)迷宮密封泄漏特性的影響。Ahmed和John測(cè)量了23種具有相同轉(zhuǎn)子直徑 （101.6 mm）的不同密封齒結(jié)構(gòu)的密封件的泄漏量和腔室中的壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)所有的密封裝置和壓比，增加密封齒的厚度能使泄漏量降低10%～20%；當(dāng)密封齒的厚度從3.175 mm增大到6.35 mm時(shí)，低壓比條件下，泄漏量減小20%；高壓比條件下，泄漏量減小10%～15%。Willenborg和Schramm[9]對(duì)具有光滑靜子和裝有蜂窩結(jié)構(gòu)靜子的2種階梯迷宮密封的傳熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明：不考慮密封幾何因素條件下，當(dāng)周向速度小于軸向速度時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)傳熱特性的影響可忽略。Childs[10]通過(guò)對(duì)航天器的主機(jī)高壓氧氣泵的試驗(yàn)研究，提出用蜂窩密封替換迷宮密封可以解決同步振動(dòng)和亞同步振動(dòng)的問(wèn)題，確保主機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。Denecke等[11]利用2D Laser-Doppler-Velocimeter（LDV多普勒激光測(cè)速儀）和硅油滴粒子測(cè)量密封通道內(nèi)的流體速度分布圖。

本文結(jié)合我國(guó)在蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中密封設(shè)計(jì)的具體技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并搭建了一套完整的旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)，利用商業(yè)CFX軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的性能進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，完成了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)量?jī)x器的選取。

2 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

利用旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)Χ喾N密封結(jié)構(gòu)（迷宮密封、蜂窩密封、刷式密封）進(jìn)行泄漏特性的研究，確定幾種關(guān)鍵因素 （如壓比、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、密封間隙等）對(duì)密封泄漏特性的影響。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)密封試驗(yàn)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行分析和參考，根據(jù)試驗(yàn)的要求設(shè)計(jì)并搭建了旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)，包括供氣回路、旋轉(zhuǎn)臺(tái)以及測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)能完成對(duì)轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口和密封腔壓力、進(jìn)出口溫度、密封間隙和泄漏流量的精確測(cè)量。試驗(yàn)中的參數(shù)要求如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)要求

由于旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)是在高壓比、高轉(zhuǎn)速、小流量下進(jìn)行的，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求很高。本文在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)，參考文獻(xiàn)資料中已有的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，先后設(shè)計(jì)了3種方案的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行反復(fù)的比較和論證后，選取了圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，其為單軸、單支撐的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤兩側(cè)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。主要的結(jié)構(gòu)由密封試驗(yàn)件、進(jìn)氣穩(wěn)壓腔、轉(zhuǎn)盤、主軸、軸承、軸承座、底座、電機(jī)等部分組成。工質(zhì)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)壓腔，在穩(wěn)壓腔中形成穩(wěn)定、周向均勻的氣流，然后進(jìn)入密封試驗(yàn)件進(jìn)口氣室。在密封試驗(yàn)件的進(jìn)口處氣流是穩(wěn)定、周向均勻的。工質(zhì)氣體在密封件的封嚴(yán)作用下，透過(guò)密封件進(jìn)入密封件的出口氣室，然后經(jīng)排氣口排入大氣環(huán)境。泄漏流量是在試驗(yàn)臺(tái)入口處安裝渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，因此需保證進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)腔室的工質(zhì)均經(jīng)過(guò)密封試驗(yàn)件后排出。圖2中的A、B兩處為轉(zhuǎn)盤與腔室壁形成的間隙，試驗(yàn)中會(huì)有少量氣流從A、B處通過(guò)。A處通過(guò)的氣流進(jìn)入一個(gè)封閉的腔室，氣流穩(wěn)定后對(duì)密封試驗(yàn)件進(jìn)口處流場(chǎng)的穩(wěn)定沒有影響，且能保證進(jìn)入的氣體均通過(guò)密封試驗(yàn)件。B處是否通過(guò)氣流對(duì)泄漏量的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生影響，但有可能影響密封試驗(yàn)件出口處的流場(chǎng)。對(duì)B處通過(guò)的氣流是否會(huì)影響密封試驗(yàn)件出口流場(chǎng)的問(wèn)題，本文進(jìn)行了數(shù)值模擬進(jìn)行判斷。對(duì)密封試驗(yàn)件的固定方法，如圖1中右邊的小圖所示，軸向采用擋板夾緊固定，徑向采用一彈簧固定。這樣固定的好處是：軸向不允許密封件的靜子有位移，而徑向當(dāng)有較大的力向外壓迫靜子時(shí)，允許靜子向外有一定的位移，防止因轉(zhuǎn)子與靜子接觸損壞密封件，同時(shí)可通過(guò)調(diào)整彈簧預(yù)緊力，調(diào)整密封間隙的大小。在密封的固定件和腔室的外殼均開有周向銑孔，便于測(cè)量壓力的引壓管和測(cè)量溫度的熱電偶引線從試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部引出。圖1中的排氣口是周向的全周弧段，直接將工質(zhì)氣體排入大氣環(huán)境。試驗(yàn)臺(tái)采用了2個(gè)軸承座、2對(duì)推力軸承固定轉(zhuǎn)軸，由于試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)與主軸用聯(lián)軸器進(jìn)行連接，保證高度同心。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2 試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算域二維結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)臺(tái)性能的數(shù)值模擬

為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)的性能，本文利用CFD商業(yè)軟件CFX對(duì)試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)出口壓比為1.2和1.4，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min條件下的氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算網(wǎng)格利用商業(yè)軟件ICEM生成，全部為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于試驗(yàn)臺(tái)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有周向異性，所以必須對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行全周模擬，即對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行造型，劃分網(wǎng)格。從圖3可以看出試驗(yàn)臺(tái)明顯分為3部分：進(jìn)氣室、密封件、出氣室，3部分對(duì)網(wǎng)格的疏密程度有不同的要求，密封件部分流動(dòng)復(fù)雜，且為主要研究的流場(chǎng)區(qū)域，需要較密的網(wǎng)格，因此將試驗(yàn)臺(tái)分為3部分，分別對(duì)其生成網(wǎng)格。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算域三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 試驗(yàn)臺(tái)二維和三維模型及計(jì)算網(wǎng)格示意圖

圖4所示為試驗(yàn)臺(tái)數(shù)值模擬計(jì)算域的計(jì)算網(wǎng)格，其中進(jìn)氣室區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)是49.3萬(wàn)，出氣室區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為38萬(wàn)，密封件區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為163萬(wàn)，總的計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為250.3萬(wàn)。網(wǎng)格綜合質(zhì)量最小值為0.56，密封件處的最小角度為54。，進(jìn)氣室和出氣室為43。，具有很好的正交性。

4 試驗(yàn)臺(tái)模擬結(jié)果及分析

本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，著重分析了試驗(yàn)臺(tái)以下幾方面的特性。

4.1 流場(chǎng)分析

本試驗(yàn)臺(tái)只設(shè)計(jì)了1個(gè)進(jìn)口，所以試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口處的流場(chǎng)在周向一定是不均勻的，在進(jìn)氣室中設(shè)計(jì)了1個(gè)擋板，將進(jìn)氣室分割成大小不同的2個(gè)氣室：主穩(wěn)壓氣室和副穩(wěn)壓氣室，如圖5所示。2個(gè)氣室的作用是穩(wěn)定密封件進(jìn)口處的流場(chǎng)，使密封進(jìn)口處的流速降低，壓力均勻穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)流場(chǎng)分析可判斷主、副穩(wěn)壓氣室是否達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)的要求。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部三維流線圖

圖5 （a）所示為試驗(yàn)臺(tái)流體域中的三維流線圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣室的的主穩(wěn)壓氣室中的流場(chǎng)明顯不均勻，出氣室中的流線基本上沿周向均勻分布，說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)出氣室的流體是周向均勻的。出氣室中流線均向轉(zhuǎn)動(dòng)方向有一定的傾斜角，這是由于輪盤面旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體周向運(yùn)動(dòng)，使流體具有了周向速度。

由于進(jìn)口射流的影響，進(jìn)氣室中的流場(chǎng)在周向是不均勻的，且差異最大的是以進(jìn)口處為起點(diǎn)的0。角和180。角2個(gè)截面，如圖5（b）、（c）所示。0。角截面受進(jìn)口射流的影響最大，180。角截面處幾乎不受進(jìn)口射流的影響。從圖5中可以看出，在進(jìn)氣室的副穩(wěn)壓氣室中，2個(gè)截面的流場(chǎng)存在一定的差異，但在密封件的入口和出口處的流場(chǎng)差異不大。

4.2 壓損分析

試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣室的主要作用是進(jìn)行穩(wěn)壓，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的氣流速度非常大，由于進(jìn)氣室的穩(wěn)壓作用，氣流達(dá)到密封件入口處時(shí)，速度降到很低，如表2所示，當(dāng)壓比為1.4時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口速度為44.85m/s，雷諾數(shù)可達(dá)1.5×105，明顯處于紊流區(qū)，存在很大的旋流。密封件的入口速度為5.53 m/s，雷諾數(shù)為3 662，此時(shí)流場(chǎng)處于層流區(qū)，流場(chǎng)穩(wěn)定，這點(diǎn)從圖5（b）、（c）中也可看出密封件進(jìn)口處的速度矢量是水平的，沒有漩渦，流場(chǎng)處于層流。氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)氣室后，從層流轉(zhuǎn)化為紊流，必然存在能量的耗散，表現(xiàn)為總壓的減小。

如表3所示，試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)口總壓大于密封件的進(jìn)口總壓，說(shuō)明進(jìn)氣室存在總壓損失。損失的大小與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)出口壓比有關(guān)，壓比越大，損失愈大。這是因?yàn)閴罕仍酱螅囼?yàn)臺(tái)進(jìn)口的速度越大，雷諾數(shù)也越大，造成流場(chǎng)的紊流度增大，而密封件進(jìn)口的速度基本不變，因此紊流耗散損失增大，表現(xiàn)為總壓損失增大，壓比為1.4時(shí)，總壓損失達(dá)2.2%。

表2 試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口速度與密封件進(jìn)口速度比較

表3 進(jìn)出口氣室壓力損失

從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，密封件的出口靜壓與試驗(yàn)臺(tái)的出口靜壓不相等，密封件出口壓力比試驗(yàn)臺(tái)出口壓力小，當(dāng)壓比為1.4時(shí)，壓力減小了1.48%。

由此可見，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口總壓并不等于密封件進(jìn)口總壓，試驗(yàn)臺(tái)出口靜壓也不等于密封件出口靜壓。試驗(yàn)中是否要考慮壓力的損失，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的具體要求和試驗(yàn)工況參數(shù)而定，如當(dāng)壓比為1.2時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)出口的壓力與密封件進(jìn)出口的壓力差異小于1%，測(cè)量?jī)x表本身也存在測(cè)量誤差，此時(shí)可以不必考慮壓力的損失，當(dāng)壓比為1.4時(shí)，壓力的差異較大，應(yīng)考慮進(jìn)氣室造成的總壓損失，對(duì)進(jìn)口壓力進(jìn)行修正。

在研究壓比對(duì)泄漏量的影響時(shí)，只需考慮壓比的大小，而對(duì)進(jìn)出口壓力的具體值可以不關(guān)心。如表4所示，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)出口壓比與密封件進(jìn)出口壓比的差異是很小的，小于1%。當(dāng)不關(guān)心進(jìn)出口的具體壓力值，而主要研究壓比對(duì)密封特性的影響時(shí)，可以認(rèn)為試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)出口壓比等于密封件進(jìn)出口壓比。

表4 試驗(yàn)臺(tái)與密封件進(jìn)出口壓比比較

圖6 沿流動(dòng)方向密封腔室中壓力變化

圖6 所示為不同壓比條件下密封件腔室中壓力沿流動(dòng)方向的變化。由圖6可見，沿流動(dòng)方向，密封腔室中的壓力是下降的。在每個(gè)密封齒的前后壓力突然垂直下降，這是由于密封齒頂間隙的節(jié)流作用，使壓力能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流體速度升高，壓力降低。進(jìn)入腔室后，流體的壓力略有回升，這是因?yàn)閺男〉拈g隙進(jìn)入大的空間時(shí)，流體速度降低，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。腔室中的壓力基本不變，在出腔室的齒尖前端處略有升高，這是因?yàn)辇X尖前端收縮動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能所導(dǎo)致的。由于流體在密封件中是有耗散的，壓力能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，所以壓力總體趨勢(shì)是降低的。

從圖6還可以看出，壓比1.2的壓力曲線與壓比1.4的進(jìn)口壓力雖然相差很大，但最終朝著相同的壓力變化，在出口處壓比1.4的壓力比壓比1.2的壓力略低，這是因?yàn)椴煌膲罕葪l件下，試驗(yàn)臺(tái)的出口壓力均為大氣環(huán)境的壓力，不同的是試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口的總壓。壓比1.4的曲線在每個(gè)密封齒前后均有比壓比1.2更大的壓降，所以壓比1.4的出口速度比壓比1.2時(shí)的要大，這也能解釋壓比大、出口壓力小的現(xiàn)象。

4.3 泄漏量分析

在研究密封件的泄漏特性時(shí)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)泄漏量的準(zhǔn)確測(cè)量是非常重要的。從圖3可以發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)臺(tái)與大氣環(huán)境有工質(zhì)交換的邊界有3個(gè)：進(jìn)口、出口和自由邊界。表5為這3個(gè)邊界的流量，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的為正，流出試驗(yàn)臺(tái)的為負(fù)。由表5可知，在進(jìn)口和自由邊界均有流體進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的流體均從出口處排出。試驗(yàn)中需測(cè)量的是經(jīng)過(guò)密封件的流體流量，在流場(chǎng)分析中已知從試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口處進(jìn)入的流體完全通過(guò)了密封件，而從自由邊界進(jìn)入的流體沒有經(jīng)過(guò)密封件，直接從出口排出了試驗(yàn)臺(tái)。因此，試驗(yàn)中只需在試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)口處裝一個(gè)流量計(jì)測(cè)量出進(jìn)口流量便可得到密封件的泄漏量。

表5 試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)出口及自由邊界流量

5 結(jié)論

從上面的分析計(jì)算可知，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)具有易加工、易拆除和組裝、試驗(yàn)件可拆換和易于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改造的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)改造后，試驗(yàn)臺(tái)還能夠進(jìn)行密封中流場(chǎng)的顯示和密封腔室溫度的測(cè)量等試驗(yàn)，進(jìn)而能夠研究密封的傳熱特性和流場(chǎng)形態(tài)。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)值模擬結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)達(dá)到了方便準(zhǔn)確的測(cè)量密封泄漏量的目的，能夠利用旋轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)臺(tái)對(duì)多種密封結(jié)構(gòu)（迷宮密封、蜂窩密封、刷式密封）進(jìn)行泄漏特性的研究，確定幾種關(guān)鍵因素 （如壓比、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、密封間隙等）對(duì)密封泄漏特性的影響。

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Design and Numerical Simulation of Rotating Seals Test Rig w ith Turbomachinery

Zhang Zhiyong，Li Jun，Jiang Shengke
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

According to the requirement of test performances of the turbine rotating seals,an advanced rotating seals test rig is designed and established.The designmaximum rotating speed of seals test rig is 8 000 r/min.On this basis,the rotating seals test rig is numerically simulated by using the CFX of commercial CFD software.Numerical simulation results of the test rig validate that the test performances can meet the experimental requirements.

turbomachinery,rotating seal test,labyrinth seal,discharge behavior,numerical simulation

TN 26

：A

：1674-9987（2014）03-0011-06

張志勇 （1976-），男，工程師，1999年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)渦輪機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)和設(shè)計(jì)工作。