汽封與平衡孔對(duì)透平級(jí)氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究.pdf

1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TK262學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：621.3密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文汽封與平衡孔對(duì)透平級(jí)氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究博士研究生：張宏濤導(dǎo)師：韓萬(wàn)金教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：動(dòng)力機(jī)械及工程所在單位：能源科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期：2015年5月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要提高透平機(jī)械運(yùn)行效率一直是國(guó)內(nèi)外同行努力追求的目標(biāo)。大功率蒸汽透平高中壓缸內(nèi)的蒸汽工質(zhì)具有高品質(zhì)能量，他們?cè)谕ㄟ^(guò)由靜動(dòng)葉列

2、組成的一系列級(jí)時(shí)轉(zhuǎn)換為有用功。由于流動(dòng)過(guò)程的不可逆性，必然產(chǎn)生能量損失，包括葉型損失、二次流損失、摻混損失和泄漏損失等，統(tǒng)稱為工質(zhì)的功率損耗。對(duì)于高中壓缸，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)動(dòng)靜部件間隙工質(zhì)泄漏造成的功率損耗占總功率損耗的51%。因此，在蒸汽透平研究領(lǐng)域，探索新型高性能汽封、平衡孔及其與相關(guān)密封裝置的匹配設(shè)計(jì)，降低泄漏流量及其對(duì)主流的干擾，改善汽輪機(jī)通流部分的氣動(dòng)性能，是研究人員面臨的主攻課題之一。迷宮汽封是目前汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用

3、的傳統(tǒng)密封裝置。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐，專業(yè)人員對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和密封原理以及與平衡孔的匹配準(zhǔn)則，都已深入掌握。本文擬通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)際汽輪機(jī)高壓級(jí)迷宮密封的成熟設(shè)計(jì)，一方面將相同條件下的泄漏量及相關(guān)參數(shù)軸向力和摩擦扭矩等作為比較基礎(chǔ)，另一方面認(rèn)識(shí)密封裝置內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性以及與平衡孔和相關(guān)密封結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計(jì)理念，為新型薄葉汽封在透平級(jí)中的應(yīng)用研究提供思路。本文數(shù)值模擬采用CFX商業(yè)軟件?？紤]到汽封裝置通過(guò)氣體的流量低、通流面積大小倍數(shù)高、流動(dòng)參數(shù)

4、變化劇烈和局部結(jié)構(gòu)改變突然等特點(diǎn)，忽略倒圓等對(duì)流動(dòng)影響不大的細(xì)微結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，分區(qū)劃分流動(dòng)域的計(jì)算網(wǎng)格，建立了適于撲捉流場(chǎng)詳細(xì)信息的計(jì)算模型。分別數(shù)值模擬了設(shè)置迷宮汽封和薄葉汽封的高壓級(jí)隔板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了兩種汽封的工作原理、封嚴(yán)效果和運(yùn)行特性。迷宮汽封的流動(dòng)過(guò)程由一系列串聯(lián)的等于汽封齒數(shù)的逐步加深的節(jié)流過(guò)程組成，它借助轉(zhuǎn)子的凸臺(tái)與比齒頂間隙大得多的空腔，使汽流多次折轉(zhuǎn)并形成復(fù)雜渦系，強(qiáng)化動(dòng)能耗散為熱能

5、，從而增大對(duì)泄漏汽體的阻抗，降低泄漏量。但是，迷宮汽封是非接觸式密封，齒頂與轉(zhuǎn)子之間的間隙難于控制，特別是當(dāng)汽輪機(jī)組啟停機(jī)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)子較大振動(dòng)會(huì)提高間隙，致使泄漏損失增加。薄葉汽封內(nèi)的流動(dòng)由沿周向并列的等于薄葉數(shù)的節(jié)流過(guò)程組成，泄漏氣體以層流狀態(tài)通過(guò)相鄰薄葉間隙，所受壓差驅(qū)動(dòng)力小于薄葉的粘性阻力，氣體密度下降，流速變化不大。在相同條件下，薄葉汽封的泄漏量是迷宮汽封的13，同時(shí)降低了對(duì)轉(zhuǎn)子的摩擦扭矩。特別是在密封效果相同的條件下，