汽封管路数值模拟计算及改进研究*

2018-08-03 04:19吴宏霞刘庆龙

机电工程 2018年7期

吴宏霞，刘庆龙，顾磊

(1.杭州萧山技师学院，浙江杭州 311201；2.杭州中能汽轮动力有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

汽轮机是一种利用蒸汽作为动力源的旋转驱动设备，动、静部件之间存在一定的间隙。为了减少汽轮机内部的高压高温气体向机组外泄漏，必须在汽轮机动静之间安装汽封。

汽封形式最为常见的是曲径式汽封，也称为迷宫式汽封或者齿形汽封[1]。也有其他形式的汽封，如蜂窝汽封、刷式汽封、接触式汽封，虽然汽封效果更好，但成本较高，一般在高参数、大容量机组中才有应用[2]。汽轮机中轴端汽封、隔板汽封和叶顶汽封大多采用曲径式汽封，分析和改造该种汽封具有普遍意义。汽封如果密封性不好，将导致大量蒸汽从间隙中泄露，降低汽轮机效率，并且可能引起振动问题。

采用数值模拟的方法来分析汽封性能日趋成熟，本文将采用三维模拟软件CFX对现有曲径式汽封进行模拟计算分析[3]，以改进汽封管路结构，提升汽封效果。

1 汽封流量的两种计算方法

汽封流量一般可通过经验公式来计算。利用芬诺曲线推导得出试验参数修正的汽封漏气计算公式，具体如下[4]：

(1)

式中:G—流量；μδ—流量矫正系数；F—汽封最小截面积；πz—压比；z—汽封齿数；P0—前汽封压力；R—水蒸气气体常数；T0—绝对温度。

此外，计算流体动力学(CFD)是汽封流量计算的另一种方法。本文采用英国AEA公司开发的实用流体工程分析工具CFX这一商业CFD软件，来对汽封漏气进行模拟计算。

为验证CFX模拟计算结果的准确性与网格无关性，本研究先对较为简单的汽封进行计算，并同理论计算结果进行比较。模型为1/12环状模型，轴向侧是循环对称边界。

单组汽封尺寸示意图如图1所示。

图1 单组汽封尺寸示意图/mm

图1中，汽封齿轴径为195 mm，一共使用了6组交替齿汽封，6组汽封齿前后各有一段空间作为流体流动区域，以减小边界对内部流动的影响。汽封齿结构上下齿高度和宽度均完全一致，多组汽封齿间间隙均为3.0 mm。考虑到实际运行过程中汽封有所磨损，取汽封间隙为0.5 mm，大于一般设计尺寸[5]。

数值模拟采用有限体积法离散控制方程及标准k-ε两方程湍流模型，数值求解方法采用SIMPLE算法，离散格式取二阶迎风格式[6]。网格经过无关性验证，采用结构化网格。

单组汽封流量计算参数选取如下：流量矫正系数为0.71，汽封最小截面积为3.063×10-4m2，压比为0.225 3，汽封齿数12组，进口压力1.489 6 MPa，出口压力0.335 7 MPa，工质为IF97规定的过热蒸汽，蒸汽温度为320 ℃。按照该条件，汽封齿间平均Re数约为1×105，处于湍流状态。

单组汽封流量计算结果比较如表1所示。

表1 单组汽封流量计算结果比较

由表1可以看出：虽然使用了不同的计算方法，但是计算结果较为接近，误差为6.72%。理论公式计算方法由于结合了试验参数修正，其误差修正仅通过较早期的汽封结构和加工装配工艺进行修正，并不能真实反映现有机组的漏气情况，在工程快速计算和汽轮机热力计算中采用，但是精度较差。而CFD方法通过计算机模拟得到更加精确的计算结果，但计算较为复杂、耗时较长，在理论研究和工程研究中被广泛采用。

2 汽封建模及数值模拟

本研究对某机组的汽封部分进行三维实体建模，汽封间隙为0.5 mm，汽封平衡管道直径为50 mm，汽封模型参数与上述单组汽封模型参数一致。

汽封整体模型示意图如图2所示。

图2 汽封整体模型示意图

图2中，模型为竖直对称模型，包括高压段汽封、中间过渡段、平衡管路、低压段汽封四部分，其中高压段汽封作为入口。考虑到汽封漏气和平衡管路的抽吸能力不足，及环形空间气流不均匀，因而对低压段汽封出口和平衡管路出口均采用开放性边界。整体模型从宏观上看，蒸汽从高压段汽封进入并穿过迷宫式的高压段汽封齿，进入中间过渡段。中间过渡段分为数段，在两段汽封中间成环状的是汽封主体过渡段，其下方是平衡管抽吸口及抽吸通道。该通道的腰圆孔连接环状过渡段，腰圆孔下方是一段方形腔室，起稳压作用，称之为稳压段。蒸汽流入该腔室后压力上升，流速降低。最下方连接的是汽轮机平衡管路。

模型的网格划分示意图如图3所示。

图3 汽封网格划分示意图

图3中，为了计算边界效应，本研究给定模型边界层第一层厚度为0.08 mm，其余部分为自由网格，网格尺寸为2 mm。

汽封管道截面压力分布云图如图4所示。

图4 汽封管道截面压力分布云图/Pa

由图4可以看出：过渡段和汽封管道压力跨度较小，颜色差别不大，而中间环状过渡段，顶部压力与底部抽吸口附近压力相差2 kPa左右，在整体通道中较为明显。这是由于平衡管道的抽吸口在下方，抽吸压力经过下方汽封漏气的补充，其负压被填补了一部分，传递到上方顶部的压力就相对变大。当抽吸压力较小(相对负压较小)或汽封管道管径较小时，传递到上方的负压就会变得很小。极限情况下，负压消失，即上方压力不受抽吸压力影响，此时中间过渡段汽封抽吸力不足，将导致低压段汽封漏气量明显增加。因此，保持一定的抽吸压力尤为重要。此外，稳压段之后的平衡管内流动压力损失较小，压力损失不足1 000 Pa。

汽封管道截面速度分布云图如图5所示。

图5 汽封管道截面速度分布云图/(m·s-1)

由图5可以看出：中间环状过渡段上方速度大于下方，中间稳压段内部蒸汽流速很低，流速在16 m/s以下，稳压作用较为明显。当流体进入下方平衡管道后，速度提升上去，平衡管道的主体流速范围为20 m/s～30 m/s，管道内部蒸汽流速固定。

汽封流量计算参数选取如下：高压段进口压力1.489 6 MPa，高压段汽封齿数15组，汽封平衡管出口压力0.335 7 MPa，低压段出口压力0.13 MPa，低压段汽封齿数8组，模拟介质为IF97规定的过热蒸汽，蒸汽温度为320 ℃，壁面边界绝热，湍流模型为K-ε模型，进口湍流度为5%，其他参数选取与上述单组汽封相同。

汽封流量计算结果比较如表2所示。

表2 汽封流量计算结果比较

由表2可以看出：CFX模拟计算结果与理论计算结果误差不大。由于抽吸压力传播无法覆盖整个环状过渡段，无法保证汽封出口压力恒定，汽封流量也不均衡。高压段汽封压力比理论值低，导致CFX模拟计算出的流量比理论计算出的流量小。而低压段汽封压力比理论值高，故CFX模拟计算出的流量比理论计算出的流量大。

3 汽封结构改进及仿真结果分析

为增加汽封密封效果，错对现有机组的汽封结构进行改进[7]。考虑到现实情况，特别是现场机组漏气问题处理时，汽封改造较为困难且成本较高，本文采用了一种较为简易的办法即加粗中间段平衡管。由于平衡管一半位于机组下方，现场管道和基础布置错综复杂，因此平衡管径增加只能在现有基础上进行。

两种平衡管路示意图如图6所示。

图6 两种平衡管路示意图

图6中，A型平衡管为常规平衡管，管道直径50 mm；B型平衡管为加粗平衡管，中间加粗部分管道直径80 mm，中间用标准缩节连接；管道总长1 100 mm，中间段400 mm，两头各350 mm。

平衡管模型参数如表3所示。

表3中，平衡管网格和热力参数选取与上述相同，入口设置进口流速，保证两管道流量一致。

改造前后平衡管性能参数计算结果比较如表4所示。

表3 平衡管模型参数

表4 改造前后平衡管性能参数计算结果比较

由表4可以看出：由于给定的是流速条件，因此A型、B型平衡管流量一致，但平衡管入口压力不同，且B型平衡管的总压降比A型平衡管小10%。此外，B型平衡管总压损失较小，更有利于蒸汽流动。

具体分析A型和B型平衡管的流动情况。两种平衡管截面压力分布云图如图7所示。

图7 两种平衡管截面压力分布云图/Pa

图7中，A型平衡管是简单弯管流动，在弯头内侧产生低压，外侧出现高压；B型平衡管加粗段压力升高，加粗段主体部分压力在336 500 Pa左右，比A型管道内压力高近1 000 Pa。

进一步说明A型和B型平衡管内流动状况，两种平衡管截面速度分布云图如图8所示。

图8 两种平衡管截面速度分布云图/(m·s-1)

图8中，B型平衡管截面速度在15 m/s甚至10 m/s以下，而A型管内流速为28 m/s，与入口速度相差不大；B型管内蒸汽在加粗段速度下降很快，压力升高，但在离开加粗段之后，其速度与A型较为接近。

由表4、图(7,8)可以看出：平衡管加粗后，即使增加了两端缩节损失，但汽封效果仍明显提升，管内流速下降，压力升高，管内总压损失较小，平衡管出口压力更容易传递到平衡管进口。实际改造时受到周围设备布置的影响，管道加粗措施有所限制。对于上述管径为50 mm的平衡管路，由于平衡管本身较短，现场布置大于100 mm管径的平衡管较为不易，而且一般缩节跨度为三档管径，变化太大缩节不容易采购安装。这些问题在改造时应引起注意。

4 结束语

针对汽封的密封性问题，本文采用三维模拟软件CFX对现有曲径式汽封进行模拟计算分析，并进一步改进了汽封管路结构，提升了汽封效果。

结论如下：汽封管道抽吸压力的传播对汽封漏气量影响很大；复杂的通流结构会减小传递到汽封侧的抽吸压力，导致后段汽封入口压力增大，引起汽封系统漏气量增加；汽封流量的理论计算与CFX模拟计算结果有一定误差，主要由理论计算的修正系数引起。

当平衡管径足够大时，抽吸压力能够传递到汽封各个部分，汽封效果和漏气量与理论较为接近。但是，当中间过渡段结构较为复杂时，抽吸压力无法传递到汽封所有出口，汽封总体漏气量增加，汽封效果变差。而加粗平衡管道，会使汽封管道压损减少，过渡段压力增大，高压段漏气减少，汽封效果提高。