汽轮机中压缸迷宫式汽封完整级气动性能的分析
第29卷第8期 2009年8月
动 力 工 程
Journal of Power Engineering
Vol.29No.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.):137********;
E 2mail :eadchris @hot https://www.wendangku.net/doc/ab4619116.html,.
文章编号:100026761(2009)0820743204 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 Labyrinth
G land in Intermediate Pre ssure Cylinder of Steam Turbine
YA N G R ui , YA N G J i an 2dao , P EN G Ze 2y i ng
(Turbo 2machinery Flow and Blade Technology Instit ute ,Shanghai Electric Power
Generation Technology Research Develop ment Center ,Shanghai 200241)
Abstract :The aerodynamic performance of labyrint h gland was analyzed t hrough t he numerical simulation of intermediate p (IP )flow stage wit h labyrint h gland.By comparison of t he flowing stat us for t he t urbine stage wit h and wit hout t he gland ,it is found t hat t he seal leakage has certain influence on t he aerodynamic performance of t he blades ,especially at t he rotor blade root and stator blade tip wit h evident effect s.It is pointed out t hat ,t he gland has evident effect s o n t he flowing efficiency.It is suggested t hat t he type of t he gland be reformed to enhance t he unit ’s efficiency.
Key words :steam t urbine ;labyrint h gland ;aerodynamic performance ;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s 7、r 7和s 8.对空间的离散采用中心差分格式,对时间的离散采用4阶Runge 2Kutta 方法,湍流模型选用一方程S 2A 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 I1i _
x
+f I2i
_
y
+f I3i
_
z
(2)
F V =f V1i
_
x
+f V2i
_
y
+f V3i
_
z
(3)
U = ρ ρ w 1 ρ w 2 ρ w 3
ρ E
(4)
f
Ii
=
ρ w 1
p 3
δ1i + ρ
w i w 1 p 3
δ2i + ρ
w i w 2 p 3δ3i + ρ
w i w 3( ρ E + p 3) w i
-f V i =0
τi 1τi 2τi 3
q i + w j τij
(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- ρ[2ω_
× w _
+ω_
×(ω_
×r _
)]
ρ
w __
(0.5ω2r 2
)
(6)
图1 叶片及汽封结构示意图
Fig.1 Blades and labyrint h gland structure
2 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
T ab.1 Aerodynamic perform ance 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)s 7
r 7
s 8
1.13890.6388.27255.91256.560.82 1.140.821.16090.7188.35250.69251.400.80 1.120.811.180
90.74
88.42
245.88
246.53
0.78 1.090.80
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:
η3
u =Δh 3u Δh 3s =h 3in -h 3
out h 3in -h 3
outss (7) 通流级中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Δh Δ一般定义为[4]:
Δh Δ=ξδh 3s =
G δh +G δt G
η3
u h 3s (8)
式中:G δh 为隔板汽封漏气量;G δt 为围带汽封漏气量;
G 为蒸汽进口流量;
ξδ为漏气损失系数.
ξδ=∑G
δh
+G δt
G
η3u =0.0109×0.09063=
0.0099
(9)
在本算例中,扣除漏气损失的等熵滞止效率η3
u
=0.9063-0.0099=0.8964.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,因此对带汽封装置的完整级进行CFD 数
?
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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 gland
2.3 汽封泄漏气流对主流的干扰
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r 7、s 8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r 7的总压恢复系数在叶
根处最小,说明在该处存在较大的能量损失,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s 8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s 8的表面极限流线(图6)可以看出:在叶片s 8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 r 7,s 8总压恢复系数随相对叶高的分布
Fig.5 Total pressure recovery coefficient along spanwise for r 7&s
8
(a )
纯通道
(b )带汽封通道
图6 s 8表面极限流线
Fig.6 Limiting st reamline on surface of s 8
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.
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