凸台高度对高低齿迷宫式汽封性能的影响

曲秀兰，石计红，潘宝财

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

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凸台高度对高低齿迷宫式汽封性能的影响

曲秀兰，石计红，潘宝财

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

本文利用数值模拟的方法对高低齿迷宫式汽封的特性进行了研究。通过研究获得了该型汽封的漏气量，并获得了不同凸台高度对汽封内部流场的影响情况，通过确定合适的凸台高度使得泄漏量减少，从而提高汽轮机的稳定性和使用寿命。

汽封；数值模拟；结构优化

汽封装置广泛应用于汽轮机动、静之间，用来减少或防止蒸汽泄漏和空气漏入的汽轮机装置。高低齿迷宫式汽封作为一种非接触式汽封，其泄漏量的存在是必然的。影响高低齿汽封的因素很多，如汽封间隙、凸台高度、齿间距、齿高和齿数等。本文研究的重点凸台高度对高低齿汽封性能的影响，最终确定合适的凸台高度使得泄漏量减少，从而提高汽轮机的稳定性和使用寿命。

1 数值模拟方法

1.1 计算域模型

图1是某高低齿汽封的几何结构示意图，数值模拟时只截取了汽封的一个弧段（轴半径R=166mm，占圆周3°的一个弧段）。齿间距设为8mm。齿与轴之间的漏气间隙d=0.5mm，高齿高为10.5mm，凸台高度h为4mm，凸台宽度为6mm，汽封段长度49mm。

图1 高低齿汽封流道的几何结构图

在1907年，Becker通过实验发现，汽轮机转速对于密封泄漏量的影响不大。因此本文采用定常二维模型对高低齿流动情况进行分析是合理的。

1.2 边界条件

模型采用结构化网格，边界条件如表1。

近转轴位置设定成旋转壁面，转速值设定为3000转/分钟，蒸汽沿汽封周向运动呈现周期性的状态，因而可以对弧段的两个断面应用周期性边界条件。

表1 边界条件

2 数值模拟结果

保持汽封其它几何参数不变，凸台高度由0mm增加到6mm，对这几种情况进行二维流场模拟，得到了汽封内部流场的具体情况和各自的汽封泄漏量。当凸台高度为1mm时，该汽封结构接近于平齿汽封，在汽封腔内两个大涡起主要作用，两个小涡流的强度相对较小，因此漏汽量仍然比较大。当凸台高度变为4mm时，汽封腔内的涡流的强度值达到最大，此时的汽封泄漏量最小。伴随凸台高度的增加，腔内的有效容积将逐渐变小，导致没有足够的空间形成涡流，动能转变为热能的程度不够充分，导致漏气量逐渐变大。

表2 泄漏量 kg/s

表2给出了不同工况与不同凸台高度下泄漏量的计算结果。

图2中为在两个工况下不同凸台高度下的无量纲——流量系数变化曲线。

图2 不同凸台高度下的无量纲——流量系数曲线

通过对计算结果的分析可知，在两种工况下流量系数随着凸台高度的增加呈现了减小的趋势，当凸台高度为4mm时流量系数最小。凸台高度继续增加到5mm和6mm时，流量系数基本没有太大的变化，凸台高度为3mm、4mm、5mm、6mm时，它们的汽封性能十分接近。由于两个工况下的曲线具有相同变化趋势，因此，此时工况的变化并没有影响汽封结构对于泄漏量的决定作用，因此几何参数主要影响汽封泄漏量。

3 结论

本文对不同凸台几何尺寸汽封模型，进行了数值模拟研究。结果表明对于一定几何参数汽封装置，存在一个最佳的凸台高度。凸台高度从0mm变到6mm时，汽封泄漏量先减少后增加。凸台高度对于流场的影响是影响了空腔内的动能耗散的过程。当凸台高度为4mm时对于所设计的尺寸来说，空腔内的涡流达到了最佳的状态，动能耗散最少，因此在各种凸台高度中它的泄漏量最少。此时的汽封性能最好。

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1671-0711（2016）11（上）-0174-02