高低齿汽封与蜂窝汽封及孔式阻尼汽封密封性能的比较

江路毅， 刘网扣， 张兆鹤， 崔 琦

（上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

汽封是汽轮机重要部件之一，一般用于轴端、隔板和叶顶等位置.汽封装置密封性能的优劣对汽轮机性能有较大的影响［1］.研究表明，汽轮机级中的叶顶漏汽损失和隔板漏汽损失之和约占到级损失的1/3［2］.高低齿密封（属迷宫密封的一类）作为汽轮机一种主要的密封形式，存在漏汽量偏大、汽封易磨损等问题.蜂窝汽封因其良好的密封性能，已经在5～600 MW机组改造和新机组中获得应用.孔式阻尼汽封与蜂窝汽封结构类似，在压气机及航空发动机中已经获得应用.相对于蜂窝汽封，孔式阻尼汽封加工工艺相对简单、制造精度高、对材料要求较宽，同时在一定条件下有更好的密封性能，有应用于汽轮机密封的潜力.

近些年，国内开展了很多蜂窝汽封和孔式阻尼汽封密封性能的研究.结果表明，在一定条件下，蜂窝汽封相对高低齿汽封能降低43%的漏汽量［3］；蜂窝汽封的漏汽量受蜂窝结构尺寸的影响，存在最佳蜂窝孔径及蜂窝深度的确定问题［4］.国外的试验研究表明，在一定条件下孔式阻尼汽封漏汽量比蜂窝汽封减少12%［5］.

笔者对不同压比、转速和汽封间隙下的三种汽封进行数值计算，并与试验数据进行对比，对蜂窝汽封和孔式阻尼汽封在汽轮机上的应用有一定的参考意义.

1 计算模型与数值计算方法

图1为汽封结构简图，图1（a）为高低齿汽封的结构简图，其中t为两低齿齿距，b为齿宽，δ为齿隙，h1为低齿（长齿）齿高；图1（b）为蜂窝汽封环结构简图，图中芯格宽度D为3.2 mm，构成蜂窝的不锈钢壁厚为0.13 mm；图1（c）为孔式阻尼汽封环的结构简图，阻尼孔的直径为3.2 mm，相邻两孔中心距为3.33 mm，轴直径为440 mm.高低齿总齿数为11，蜂窝汽封和孔式阻尼汽封中用蜂窝带或阻尼孔代替高齿，低齿结构保持一致.

图1 汽封结构简图Fig.1 Structural diagram of the seals

1.1 计算条件

由于受到计算机资源的限制，数值计算模型中采用部分弧段（周向包含7列孔）汽封结构.为方便与试验结果比较，计算工质使用空气，汽封进口给定总压和总温，出口为大气环境.汽封弧段的两侧断面设置为周期边界，转轴设置为旋转固壁.

1.2 计算方法

采用Fluent商用软件进行数值计算.湍流模型为标准的k－ε两方程湍流模型，数值求解方法为Simple算法，使用结构化网格进行网格划分.高低齿汽封结构较简单，计算网格总数900万，蜂窝汽封网格总数1 600万，阻尼结构在孔内部采用了O－网格处理，网格总数1 600万.

数值计算分以下三方面进行，3个参量分别为相对间隙δ/b、转速n和压比πz：

（1）固定汽封间隙及转速，改变压比.

（2）固定汽封间隙及压比，改变转速.

（3）固定压比及转速，改变汽封间隙.

2 计算结果

通过流量系数来反映不同汽封结构的漏汽性能，流量系数计算公式［6］如下：

式中：G为数值计算得到的汽封漏汽量，kg/s；G′为理论计算所得的汽封漏汽量，kg/s；μp为流量系数；F为齿隙面积，m2；z为高低齿总齿数；p0为汽封前总压，Pa；T0为汽封前蒸汽热力学温度，K；πz为压比，πz＝p1/p0；p1为汽封后静压，Pa；ρ0为汽封前气流密度，kg/m3；R为理想气体常数.

2.1 高低齿汽封数值计算结果与试验结果对比

图2给出了高低齿汽封数值计算结果及与试验结果［6］的对比，其中图2（a）为流量系数随压比变化曲线，图2（b）为流量系数随转速变化曲线，图2（c）为流量系数随相对间隙变化曲线.

图2 高低齿汽封流量系数变化曲线Fig.2 Variation curves of flow coefficient for the stepped labyrinth seal

从图2可以看出：

（1）数值计算结果比试验结果约小3%～4%.

（2）流量系数计算值与试验值随压比的变化规律相似，在压比计算范围内近似呈线性变化，且压比越大，流量系数越大，数值计算结果的变化率与试验结果相比要小.

（3）流量系数随转速上升而略有下降，近似呈线性变化，数值计算结果的变化率较小.

（4）随相对间隙的增大，流量系数减小，数值计算与试验结果变化规律一致，呈下凹曲线的规律.相对间隙较小时，腔室内的涡不能得到充分发展，导致其流量系数偏大.

综上所述，数值计算与试验所得高低齿汽封的流量系数随压比、转速、相对间隙的变化规律基本一致，但数值计算结果偏低，且随参数的变化率较小.

2.2 蜂窝汽封数值计算结果与试验结果对比

图3给出了蜂窝汽封的数值计算结果及与试验结果的对比.蜂窝汽封中的相对间隙以低齿的相对间隙为准，蜂窝间隙的变化与低齿保持一致.由图3可以看出：

图3 蜂窝汽封流量系数变化曲线Fig.3 Variation curves of flow coefficient for the honeycomb seal

（1）无论数值计算还是试验结果，流量系数随压比的变化近似呈水平的线性变化，但斜率的方向却相反.

（2）流量系数随转速的变化近似为水平的直线，随转速的增加略有下降，数值计算结果的斜率小于试验值.

（3）流量系数随相对间隙的变化呈上凸曲线，数值计算与试验值的规律一致，当相对间隙大于一定值时流量系数变化趋于平缓.

（4）从图3（c）可知，数值计算的流量系数较试验值约小9%.齿隙变小对孔内涡强度影响较小，而节流作用的影响相对较大，使流量系数减小.

以上两种汽封数值计算结果的漏汽量不同程度地小于相应的试验值.排除网格相关性后，计算中湍流模型会产生较大的影响，在对通过一面平板，另一面等厚齿的小间隙流动的处理过程中，在气流的加速、截面的收缩及其后的涡系等方面模型与实际情况存在差异.

2.3 孔式阻尼汽封数值计算结果

图4是孔式阻尼汽封的数值计算结果，相对齿隙仍采用低齿的值，孔式阻尼汽封间隙与低齿的齿隙同步变化.

图4 孔式阻尼汽封流量系数变化曲线Fig.4 Variation curves of flow coefficient for the hole－pattern damper seal

由图4可知，孔式阻尼汽封与蜂窝汽封有类似的阻汽特性.孔式阻尼汽封的流量系数随压比的减小略有下降，随转速的增大略有下降，并近似呈水平的线性变化；在数值计算的相对间隙范围内，流量系数随相对间隙的增大而略有增大.

3 不同结构汽封的比较

蜂窝汽封与孔式阻尼汽封的密封原理相似，数值计算结果也显示两者的密封性能相近，但两者与高低齿汽封有较大的差异.

3.1 3种汽封的比较

图5给出了转速为3 000 r/min、压比为0.75时，高低齿汽封、蜂窝汽封和孔式阻尼汽封在不同相对间隙下的数值计算所得到的流量系数的对比.在给定的三个相对间隙下，蜂窝汽封与孔式阻尼汽封的流量系数均小于高低齿汽封的流量系数，且在计算范围内变化趋势相反.高低齿汽封流量系数曲线为下凹形，而蜂窝汽封是一条上凸的曲线.在计算的相对间隙范围内，蜂窝汽封的流量系数均小于高低齿汽封的流量系数，差值为4%～15%；且相对间隙越小，差值越大.所以，如果蜂窝汽封设计合理的话，与相同条件下的高低齿汽封相比，其密封效果更好.

图5 各种汽封流量系数随相对间隙的变化Fig.5 Flow coefficients of different seals varying with the relative clearance

图6为三种汽封的子午面流线图.由图6（a）和图6（b）两流线图可以看出，蜂窝汽封将原高低齿汽封内部腔室分割成多个小腔室，在蜂窝孔内形成多个小涡，增加了能量的耗散，而且多道蜂窝孔壁在一定程度上增强了节流作用，使蜂窝汽封的密封性能比高低齿汽封更好.

3.2 孔式阻尼汽封与蜂窝汽封对比

从图5中也可以明显地看到，孔式阻尼汽封的流量系数比蜂窝汽封更小，这与文献［7］中试验结论一致.在计算范围内，前者比后者相对减小2%～6%，且在较大的相对间隙下，降幅较大，在相对间隙δ/b＝1.4时，前者比后者小6%.

图6 三种汽封的子午面流线图Fig.6 Flow field on meridional plane of the three seals

图6（b）和图6（c）显示蜂窝汽封和孔式阻尼汽封在子午面上有类似的流场结构，但两者存在空腔大小和节流片结构的差异，后者紧凑的腔室结构使孔式阻尼汽封内涡的强度较强，从而使其密封性能优于蜂窝汽封.

4 结 论

（1）高低齿汽封、蜂窝汽封的数值计算结果与试验结果相比，二者变化规律基本一致.流量系数数值计算结果比试验结果偏小，高低齿汽封流量系数随压比和转速的变化率小于蜂窝汽封.

（2）压力、转速和间隙变化时，孔式阻尼汽封和蜂窝汽封的流量系数有着类似的变化规律.

（3）在相同条件下，蜂窝汽封比高低齿汽封的密封性能好，计算范围内的流量系数平均降低约10%.

（4）在相同条件下，孔式阻尼汽封比蜂窝汽封有更好的密封性能，常用的相对间隙下，漏汽量能减小6%左右.

［1］刘网扣，崔琦，张兆鹤，等.级间根部吸漏气对级气动性能影响的研究［J］.动力工程，2010，30 （2）：105－109.LIU Wangkou，CUI Qi，ZHANG Zhaohe，et al.Influence of suction and leakage flow between stator and rotor on stage＇s aerodynamic performance［J］.Journal of Power Engineering，2010，30（2）：105－109.

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［3］盛伟，刘旭东，卫运钢.蜂窝式汽封流动性能的数值研究［J］.热力发电，2009，38（12）：20－23.SHENG Wei，LIU Xudong，WEI Yungang.Numerical study on flow characters in honeycomb－like gland stalings［J］.Thermal Power Generation，2009，38（12）：20－23.

［4］李军，邓清华，丰镇平.蜂窝汽封和迷宫汽封流动性能比较的数值研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（16）：108－111.Li Jun，DENG Qinghua，FENG Zhenping.Comparison of the flow characteristics for the honeycomb and labyrinth seal using numerical simulation［J］.Proceeding of the CSEE，2005，25（16）：108－111.

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