張艾萍 張 帥 沈忠良 張 毅

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

保護(hù)高度對(duì)刷式密封泄漏流動(dòng)影響的數(shù)值研究

張艾萍*張 帥 沈忠良 張 毅

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

基于多孔介質(zhì)模型，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)15種不同保護(hù)高度的刷式密封泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。結(jié)果表明：泄漏量與保護(hù)高度h成正比關(guān)系，當(dāng)h<1.4mm時(shí)，隨著保護(hù)高度的增大，泄漏量呈拋物線式增長(zhǎng)；當(dāng)h>1.4mm時(shí)，泄漏量呈線性增長(zhǎng)，隨著保護(hù)高度的增大，泄漏增加量呈下降趨勢(shì)，且保護(hù)高度越大，下降幅度越小，在保護(hù)高度大于1.4mm后趨于平穩(wěn)。保護(hù)高度與背板處刷絲壓力分布值成反比關(guān)系，保護(hù)高度越大，壓力分布值越小，低壓輻射區(qū)越大，流體軸向速度越小，刷絲遲滯性影響越小。

刷式密封 保護(hù)高度 泄漏流動(dòng)特性 遲滯性

自20世紀(jì)70年代中期提出刷式密封概念至今，刷式密封已由最初的航空技術(shù)逐步推廣開來，地面燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)及化工設(shè)備壓縮機(jī)等都借此技術(shù)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。刷式密封作為可顯著提高大功率汽輪機(jī)的工作效率和可靠性的先進(jìn)動(dòng)密封技術(shù)[1]，它的泄漏量只有傳統(tǒng)迷宮式密封的10%～20%[2]，是傳統(tǒng)迷宮式密封的理想換代產(chǎn)品，為了使刷式密封能在化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到充分使用，需對(duì)刷式密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)特性有充分的了解和掌握。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD技術(shù)的進(jìn)步和試驗(yàn)條件的改良，對(duì)刷式密封的泄漏流動(dòng)研究有了飛速的發(fā)展。多孔介質(zhì)模型的引入，有效地簡(jiǎn)化了刷絲束中復(fù)雜的泄漏流動(dòng)。Dogo Y等采用改進(jìn)的Darcian多孔介質(zhì)模型對(duì)單排刷式密封進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到兩種徑向間隙下泄漏流動(dòng)特性和流場(chǎng)特征[3]。在此基礎(chǔ)上，Chew J W等又引入了粘性阻力和慣性阻力的概念，并對(duì)模型加以改進(jìn)，模擬研究了刷束區(qū)的泄漏流動(dòng)[4]。胡丹梅等采用Fluent軟件，對(duì)刷式汽封在不同轉(zhuǎn)速、壓差和孔隙率下的泄漏特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并得出了一些分析結(jié)論[5]。李軍等對(duì)刷式密封泄漏流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值研究，計(jì)算分析了壓比和徑向間隙對(duì)密封泄漏量和流動(dòng)形態(tài)的影響[6]。但關(guān)于背板保護(hù)高度對(duì)刷式密封泄漏流動(dòng)特性影響的報(bào)道卻較少，朱宗舉提出保護(hù)高度增大會(huì)使密封性能下降，而保護(hù)高度太小會(huì)造成背板內(nèi)徑與跑道表面磨損，損壞密封甚至發(fā)生事故[7]。胡丹梅和張全指出背板保護(hù)高度決定了刷式密封抵抗來流壓力的能力，還影響著刷束的磨損形態(tài)[8]。

筆者應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，通過改變背板保護(hù)高度h(h=0.2x，x∈R,1≤x≤15 )對(duì)刷式密封泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得刷式密封的壓力分布、速度分布和泄漏量數(shù)據(jù)，分析了背板保護(hù)高度對(duì)泄漏量和刷絲遲滯性的影響。

1 幾何模型及可行性驗(yàn)證

刷式密封主要由前板、背板和夾裝在兩者之間緊密排列的刷絲束組成[7]，其中刷絲束的刷絲非常細(xì)，直徑一般為0.05～0.07mm，按與軸中心線30～60°方向排列[6]。筆者采用的幾何模型[9]如圖1所示，其中轉(zhuǎn)子半徑為60.88mm，刷絲束厚度B為0.6mm，前板自由高度hbf為10.32mm，背板保護(hù)高度h為1.4mm，下游流體區(qū)高度為14.975mm，前板與背板的厚度均為1.625mm。

圖1 刷式密封幾何結(jié)構(gòu)

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)刷式密封泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行二維數(shù)值模擬，模型采用軸對(duì)稱分析模型，網(wǎng)格采用ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，確定最終網(wǎng)格數(shù)為28萬左右，局部網(wǎng)格示意圖如圖2所示，根據(jù)計(jì)算分析需要，網(wǎng)格疏密程度由高到低依次為刷束區(qū)、下游保護(hù)區(qū)、下游流體區(qū)和上游流體區(qū)。

圖2 局部網(wǎng)格示意圖

流體介質(zhì)為可壓縮理想氣體，模型的邊界條件設(shè)定為：入口邊界為壓力入口(給定入口總溫為300K，總壓分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40MPa)；出口邊界為壓力出口(給定出口總壓為0.10MPa)；固壁邊界為絕熱無滑移固體壁面，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；紊流模型采用雙方程k-ε模型。

對(duì)于刷束區(qū)，由于刷絲排列的復(fù)雜性與多樣性，筆者采用多孔介質(zhì)模型模擬流體在刷絲內(nèi)的流動(dòng)特性。通過在動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)，多孔介質(zhì)模型可以模擬計(jì)算域中多孔介質(zhì)材料對(duì)流體的流動(dòng)阻力。該源項(xiàng)由兩部分組成，即Darcy粘性阻力項(xiàng)和慣性阻力項(xiàng)，對(duì)于簡(jiǎn)單的均勻多孔介質(zhì)，增加源項(xiàng)si的動(dòng)量方程為：

(1)

式中C2——慣性阻力系數(shù)；

νi——第i個(gè)動(dòng)量方程中的各個(gè)坐標(biāo)方向的速度分量；

ν——合速度；

α——滲透率；

μ——湍流粘度；

ρ——工質(zhì)密度。

文中多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)由文獻(xiàn)[9]獲取。對(duì)刷式密封泄漏流動(dòng)特性在刷束區(qū)前后不同壓比條件下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到泄漏量與壓比的關(guān)系。圖3給出了數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，并與Bayley F J和Long C A的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[10]。由圖3可得，CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，所用阻力系數(shù)和所建模型可以較準(zhǔn)確地模擬刷式密封的泄漏流動(dòng)特性。

圖3 CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 刷式密封數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1流場(chǎng)壓力分布特點(diǎn)及速度分布特點(diǎn)

以保護(hù)高度為0.2、3.0mm，壓比等于3的算例為例，圖4為各自保護(hù)高度的局部壓力云圖，圖5為各自保護(hù)高度的局部速度云圖。由圖4可以看出，在上游流體區(qū)，壓力基本維持在3.0MPa不變，在下游保護(hù)區(qū)及流體區(qū)，壓力下降至1.0MPa，可見，刷式密封壓降主要發(fā)生在刷束區(qū)，刷絲對(duì)流體起到了很好的阻礙作用。另外，隨著保護(hù)高度的增大，刷束區(qū)低壓輻射范圍也逐漸擴(kuò)大。結(jié)合圖5可以看出，隨著背板保護(hù)高度的增大，流體軸向流動(dòng)阻力減小，但流動(dòng)速度卻出現(xiàn)下降，最大速度由79.1m/s減小為64.5m/s，高速流動(dòng)區(qū)域也逐漸向下游方向移動(dòng)擴(kuò)大。

b. h=3.0mm

a.h=0.2mm

b. h=3.0mm

圖6 不同保護(hù)高度轉(zhuǎn)子表面壓力分布曲線

2.2保護(hù)高度對(duì)泄漏流動(dòng)特性及遲滯性的影響

2.2.1保護(hù)高度對(duì)泄漏流動(dòng)特性的影響

圖7給出了刷式密封在壓比為2、3、4時(shí)泄漏量隨背板保護(hù)高度大小的變化曲線。由圖7可以看出，泄漏量在不同壓比下均隨保護(hù)高度的增大而增大，且當(dāng)保護(hù)高度小于1.4mm時(shí)，泄漏量呈拋物線式增長(zhǎng)，當(dāng)保護(hù)高度大于1.4mm時(shí)，泄漏量呈線性增長(zhǎng)，與保護(hù)高度最小設(shè)定值0.2mm所對(duì)應(yīng)的泄漏量相比，當(dāng)保護(hù)高度增大到3.0mm時(shí)，壓比分別為2、3、4時(shí)刷式密封的泄漏量分別增大了4.18、4.44、4.56倍，可見，保護(hù)高度對(duì)泄漏量的影響明顯。此外，縱向觀察可以看出，壓比越大，泄漏量增幅越大。

圖7 不同壓比下泄漏量隨保護(hù)高度的變化曲線

為了進(jìn)一步了解保護(hù)高度變化對(duì)泄漏量的影響，圖8給出了不同壓比下由保護(hù)高度的增大而導(dǎo)致泄漏量增加的變化曲線。由圖8可得，隨著保護(hù)高度的增大，泄漏增加量呈下降趨勢(shì)，且保護(hù)高度越大，下降幅度越小，在保護(hù)高度大于1.4mm后趨于平穩(wěn)。以壓比等于3為例，當(dāng)保護(hù)高度由0.4mm增大到0.6mm時(shí)，增加的泄漏量為1.039g/s；當(dāng)保護(hù)高度由1.4mm增大到1.6mm時(shí)，增加泄漏量0.742g/s；當(dāng)保護(hù)高度由2.4mm增大到2.6mm時(shí)，增加泄漏量0.729g/s。此外，泄漏增加量隨壓比的增大而增大，這與由圖7得出的壓比越大，泄漏量增幅越大的結(jié)論相吻合。

圖8 不同壓比下泄漏增加量隨保護(hù)高度的變化曲線

2.2.2保護(hù)高度對(duì)刷絲遲滯性的影響

圖9 不同保護(hù)高度背板處刷絲壓力分布曲線

圖10進(jìn)一步說明了保護(hù)高度對(duì)刷式密封的刷絲剛化效應(yīng)和滯后效應(yīng)的影響。從圖10可以看出，在背板處刷絲自由段以上區(qū)域，軸向速度接近于零，刷絲受流體壓力作用在這一區(qū)域體現(xiàn)最為突出；在背板處刷絲自由段頂端，由于流動(dòng)阻力的突然消失，流體軸向速度急劇增大，隨著徑向位置的下移，流體軸向速度持續(xù)減小，至自由段中間某一點(diǎn)，流體軸向速度降至最低；徑向位置繼續(xù)下移，軸向速度上升至某一最大值，在刷絲自由段底端，流體處于近壁區(qū)，由于流體黏性的作用，速度急劇減小，趨近于零。另外，可以看出保護(hù)高度越大，軸向速度越小，刷絲受流體壓力作用越小，有助于減緩刷絲剛化效應(yīng)和刷絲滯后效應(yīng)。

圖10 不同保護(hù)高度背板處流體軸向速度分布曲線

3 結(jié)束語

在確定好多孔介質(zhì)阻力系數(shù)的情況下，多孔介質(zhì)模型可以比較真實(shí)地模擬刷式密封刷束區(qū)域的流體流動(dòng)特性，且由云圖可以看出，壓降主要發(fā)生在刷束區(qū)域下游一側(cè)。在不同壓比下對(duì)15種保護(hù)高度的刷式密封泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明。泄漏量與保護(hù)高度h成正比關(guān)系，當(dāng)h<1.4mm時(shí)，隨著保護(hù)高度的增大，泄漏量呈拋物線式增長(zhǎng)；當(dāng)h>1.4mm時(shí)，泄漏量呈線性增長(zhǎng)；隨著保護(hù)高度的增大，泄漏增加量呈下降趨勢(shì)，且保護(hù)高度越大，下降幅度越小，在保護(hù)高度大于1.4mm后趨于平穩(wěn)。不同保護(hù)高度背板處刷絲壓力分布曲線進(jìn)一步表明，刷式密封大部分壓降發(fā)生在刷束區(qū)靠近轉(zhuǎn)子表面的自由高度段，且保護(hù)高度與背板處刷絲壓力分布值成反比關(guān)系，保護(hù)高度越大，壓力分布值越小，低壓輻射區(qū)越大，流體軸向速度越小，在一定程度上可以降低和消除刷式密封的刷絲剛化效應(yīng)和刷絲滯后效應(yīng)帶來的不良后果。

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NumericalStudyonProtectionHeight’sEffectonBrushSealLeakage

ZHANG Ai-ping, ZHANG Shuai, SHEN Zhong-liang, ZHANG Yi

(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Based on porous media model and making use of Fluent software, numerically simulating the brush seal’s leakage flow characteristics at fifteen protection heights was implemented. Analyzing the data obtained indicates that the leakage rate becomes proportional to the protection heighth, whenh<1.4mm exists, and with protection height’s increasing, the leakage rate can increase in the form of a parabola; whenh>1.4mm exists, the leakage can increase linearly; with the increase of protection height, the leakage increment declines, and it becomes smaller with the increase of protection height, it doesn’t tend to become stable till the height greater exceeds mm. The protection height is inversely proportional to the brush’s pressure distribution values near the back plate; higher protection height can result in smaller pressure distribution value, and the wider low-radiation zone can bring about smaller axial velocity and weaker hysteresis effect from the brush.

brush seal, protection height, leakage flow characteristic, hysteresis

*張艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ055.8+9

A

0254-6094(2015)01-0101-05

2014-03-24)