汽封与平衡孔对透平级气动性能影响的数值研究

发布时间：2017-07-14 04:12

  本文关键词：汽封与平衡孔对透平级气动性能影响的数值研究

  更多相关文章： 蒸汽透平级 迷宫汽封 薄叶汽封 平衡孔 匹配设计 数值模拟

【摘要】：提高透平机械运行效率一直是国内外同行努力追求的目标。大功率蒸汽透平高中压缸内的蒸汽工质具有高品质能量,他们在通过由静动叶列组成的一系列级时转换为有用功。由于流动过程的不可逆性,必然产生能量损失,包括叶型损失、二次流损失、掺混损失和泄漏损失等,统称为工质的功率损耗。对于高中压缸,统计数据表明,通过动静部件间隙工质泄漏造成的功率损耗占总功率损耗的51%。因此,在蒸汽透平研究领域,探索新型高性能汽封、平衡孔及其与相关密封装置的匹配设计,降低泄漏流量及其对主流的干扰,改善汽轮机通流部分的气动性能,是研究人员面临的主攻课题之一。迷宫汽封是目前汽轮机和燃气轮机广泛应用的传统密封装置。经过长期工程实践,专业人员对其结构特点和密封原理以及与平衡孔的匹配准则,都已深入掌握。本文拟通过数值模拟实际汽轮机高压级迷宫密封的成熟设计,一方面将相同条件下的泄漏量及相关参数轴向力和摩擦扭矩等作为比较基础,另一方面认识密封装置内部流场的流动特性以及与平衡孔和相关密封结构的匹配设计理念,为新型薄叶汽封在透平级中的应用研究提供思路。本文数值模拟采用CFX商业软件。考虑到汽封装置通过气体的流量低、通流面积大/小倍数高、流动参数变化剧烈和局部结构改变突然等特点,忽略倒圆等对流动影响不大的细微结构,采用结构化和非结构化网格相结合的方法,分区划分流动域的计算网格,建立了适于扑捉流场详细信息的计算模型。分别数值模拟了设置迷宫汽封和薄叶汽封的高压级隔板流场结构,对比分析了两种汽封的工作原理、封严效果和运行特性。迷宫汽封的流动过程由一系列串联的等于汽封齿数的逐步加深的节流过程组成,它借助转子的凸台与比齿顶间隙大得多的空腔,使汽流多次折转并形成复杂涡系,强化动能耗散为热能,从而增大对泄漏汽体的阻抗,降低泄漏量。但是,迷宫汽封是非接触式密封,齿顶与转子之间的间隙难于控制,特别是当汽轮机组启停机通过临界转数时,转子较大振动会提高间隙,致使泄漏损失增加。薄叶汽封内的流动由沿周向并列的等于薄叶数的节流过程组成,泄漏气体以层流状态通过相邻薄叶间隙,所受压差驱动力小于薄叶的粘性阻力,气体密度下降,流速变化不大。在相同条件下,薄叶汽封的泄漏量是迷宫汽封的1/3,同时降低了对转子的摩擦扭矩。特别是在密封效果相同的条件下,占有小得多的轴向尺寸,并且具有良好的自适应能力,能够自我调节加工安装误差,运行时靠气动力的作用上抬,与转子表面形成间隙,而且上抬量愈大,密封性愈好。即使与转子碰摩,也会磨损薄叶形成所需间隙,而不损伤转子。通过有无平衡孔和纯流道三个一级半高压透平计算方案的数值模拟和计算结果的对比分析,研究了迷宫汽封与平衡孔匹配设计准则。该一级半透平隔板和动叶叶冠采用转子带凸台的长短齿迷宫汽封,级内轴向间隙设置动叶轮缘凸起和隔板凹下的简单密封,并在动叶叶轮上匹配设置了平衡孔。数值结果表明,由于这种传统成熟迷宫汽封与平衡孔设计考虑了各泄漏部位前后压差与流动方向的匹配,使得动叶前后轴向间隙从主流吸入微量气体,后继静叶隔板汽封泄漏量稍大于平衡孔和级后轴向间隙漏汽量之和,不仅降低了级的泄漏损失,而且抑制了泄漏流动对主流的扰动。开发薄叶汽封与平衡孔及其它密封结构如何匹配设计,才能发挥薄叶汽封的密封先进性,首先数值模拟了使用薄叶汽封替换一级半透平中的隔板和叶冠迷宫汽封对级气动性能的影响。模拟结果发现,由于主流由动叶轮缘前间隙大量向轴向间隙泄漏,通过平衡孔的级泄漏量不但没有降低,反而强化了对动叶后主流的干扰。综合迷宫汽封和平衡孔匹配设计准则与本算例给予的启示,在叶轮轮缘前轴向间隙匹配设置了带台阶的高低齿五齿迷宫密封,并将后继静叶隔板薄叶汽封泄漏量调整到稍大于平衡孔与级后轴向间隙漏汽量之和。数值结果表明,经过匹配设计的薄叶汽封密封装置与迷宫汽封比较,级的泄漏量下降2.5倍,并且抑制了泄漏流动对主流的干扰,致使级等熵效率提高了近1%,轴向力下降7.6%。
【关键词】：蒸汽透平级 迷宫汽封 薄叶汽封 平衡孔 匹配设计 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK262
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 第1章 绪论14-38
• 1.1 课题背景及研究意义14-15
• 1.2 透平机械典型密封装置及其研究现状15-35
• 1.2.1 迷宫式密封15-22
• 1.2.2 薄叶式汽封22-28
• 1.2.3 蜂窝汽封28-30
• 1.2.4 刷式汽封30-35
• 1.3 平衡孔及其应用研究35-36
• 1.4 本文的主要研究内容36-38
• 第2章 数值模拟软件介绍38-48
• 2.1 引言38
• 2.2 数值模拟软件CFX38-45
• 2.2.1 控制方程38-39
• 2.2.2 计算方法39-40
• 2.2.3 湍流模型40-41
• 2.2.4 转捩模型41-43
• 2.2.5 壁面函数43-44
• 2.2.6 边界条件处理44
• 2.2.7 前处理与后处理44-45
• 2.3 计算方法数值验证45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 迷宫与薄叶汽封流场及泄漏特性数值分析48-80
• 3.1 引言48
• 3.2 迷宫汽封的数值研究48-61
• 3.2.1 迷宫汽封模型及数值模拟方法48-51
• 3.2.2 流场分析51-61
• 3.3 薄叶式汽封的数值模拟61-74
• 3.3.1 薄叶汽封模型及计算方法61-64
• 3.3.2 流场结构分析64-72
• 3.3.3 泄漏流量与摩擦扭矩的变化72-74
• 3.4 两种形式汽封结构与密封特性的对比分析74-78
• 3.4.1 结构特点的对比74-75
• 3.4.2 密封机理和封严性的对比75-76
• 3.4.3 两种汽封内流动特性的对比76-77
• 3.4.4 封严性影响因素的比较77
• 3.4.5 对轴扭矩的影响77-78
• 3.5 本章小结78-80
• 第4章 迷宫式汽封及平衡孔在透平级中的应用研究80-113
• 4.1 引言80
• 4.2 数值模拟模型及计算方案80-89
• 4.2.1 几何模型80-82
• 4.2.2 密封结构82-84
• 4.2.3 网格划分84-86
• 4.2.4 边界条件86-88
• 4.2.5 计算方案88-89
• 4.3 静叶隔板汽封齿附近的流动89-97
• 4.4 动叶顶部间隙内的流动97-101
• 4.5 平衡孔附近的流动101-108
• 4.6 总体参数对比108-111
• 4.7 本章小结111-113
• 第5章 薄叶汽封应用于透平级的匹配特性研究113-155
• 5.1 引言113
• 5.2 计算模型及计算方法113-122
• 5.2.1 几何模型及计算方案113-114
• 5.2.2 密封结构114-117
• 5.2.3 网格划分117-121
• 5.2.4 边界条件及各区域连接界面121-122
• 5.3 计算方案可行性分析122-126
• 5.3.1 不同静叶隔板汽封对通流特性的影响122-124
• 5.3.2 不同动叶叶顶汽封对通流特性的影响124-126
• 5.4 薄叶汽封和平衡孔的匹配设计126-154
• 5.4.1 在级内轴向间隙设置汽封127-130
• 5.4.2 薄叶汽封透平级泄漏流动特性分析130-147
• 5.4.3 主流流场性能分析147-154
• 5.5 本章小结154-155
• 结论155-157
• 参考文献157-168
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果168-171
• 致谢171-172
• 个人简历172

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本文编号：539606