水蒸汽参数对密封动静特性的影响

何文强，郑志豪，张万福

1中国舰船研究设计中心，上海201108

2上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093

水蒸汽参数对密封动静特性的影响

何文强1，郑志豪1，张万福2

1中国舰船研究设计中心，上海201108

2上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093

［目的］为了研究工质参数对透平机械中密封动静特性的影响，［方法］建立梳齿密封三维数值模型，分别以空气和水蒸汽为工质，应用计算流体力学（CFD）方法和旋转坐标系方法分析不同水蒸汽参数对密封泄漏性能和动力特性系数的影响。［结果］结果表明：工质为空气和水蒸汽时，密封的泄漏特性区别很大，其流体激振力与涡动速度分别呈线性和二次非线性的变化关系。当水蒸汽温度增加时，密封动力特性系数的变化将导致系统的稳定性下降。［结论］因此工质参数对透平机械的系统稳定性具有重要意义，在实际应用中需要考虑工质参数对密封动静特性及转子系统的影响。

密封；水蒸汽；泄漏量；计算流体力学；动力特性系数

Abstract：［Objectives］In order to study the influence of working medium parameters on the static and dynamic characteristics of seals in turbomachinery,［Methods］a three-dimensional model of a labyrinth seal was created,and air and steam were applied in the numerical simulation.The Computational Fluid Dynamics(CFD)method and a rotating frame were applied to analyze the influence of different steam parameters on the leakage characteristics and dynamic characteristic coefficients.［Results］The results show that great differences in leakage flow rate are apparent under different air and steam conditions,and the fluid-induced force shows linear and nonlinear variation with the increasing whirl speed.When the steam temperature increases,the system stability decreases as the dynamic characteristic coefficients change.［Conclusions］In consequence,working medium parameters are of great significance for turbine stability,and the influence of working medium parameters on the static and dynamic characteristics of seals should be given great attention in practical application.

Keywords：seal；steam；leakage flowrate；Computational Fluid Dynamics（CFD）；dynamic characteristic coefficient

0 引 言

透平机械作为大型舰船的主要推进设备，其安全稳定运行对舰船的生命力至关重要［1］。密封是透平机械内减少泄漏及流动损失的重要部件，随着高参数、大容量机组的发展，由密封带来的流体激振问题日益突出［2-5］。为了减小由密封引起的泄漏损失及流体激振问题，国内外学者相继提出了多种型式的密封结构，例如梳齿［6-8］、刷式［9］、指尖［10］、阶梯［11］、螺旋槽［12］、蜂窝［13-15］、袋式［16］、混合［17-18］等，并对密封动静特性开展了大量研究。这类研究多以空气介质或水介质为分析对象，并将其视为理想的气体或不可压缩流体，对压缩机、泵等旋转机械的预测效果较好。然而，对于大型透平机械而言，水蒸汽是最重要的工作介质，应在机组运行过程中予以考虑。

本文将以传统的梳齿密封为研究对象，应用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法建立密封计算模型，对比分析空气（理想气体）工质和水蒸汽工质的密封动静特性，总结水蒸汽参数对密封泄漏性能和动力特性系数的影响规律。

1 数值计算模型

图1所示为密封的二维模型［19］，图中尺寸标注单位为mm。采用CFD前处理器软件GAMBIT建立密封三维模型，工作介质分别设为空气（理想气体）和水蒸汽。采用k-ε湍流模型，壁面采用无滑移绝热固壁。边界条件为压力入口边界和压力出口边界。表1所示为CFD仿真模型的计算参数。

图1 梳齿密封二维模型Fig.1 Two-dimensional model of the labyrinth seal

表1 CFD仿真模型的参数Table 1 Parameters of CFD simulation model

应用旋转坐标系方法对密封动力特性进行求解，如图2所示。图中：Ω为转子涡动速度；ω为转子转速；δ=0.029 2 mm［19］，为转子偏心距；O′为转子中心；O为静子中心。将涡动速度为Ω的旋转坐标系建立在转子轴心，则在该坐标系下转子的位置固定不变，从而将不稳定问题转化为稳定问题，消除了控制方程的时间相关项。

图2 旋转坐标系Fig.2 Rotating frame

对于空气（理想气体），可以忽略流体惯性力，其动力特性系数与气流力的关系为

式中：K，k分别为直接、交叉耦合刚度系数；C，c分别为直接、交叉耦合阻尼系数；Fr，Ft分别为作用于转子的径向方向气流力和切向方向气流力。

对于液体、水蒸汽等工质，一般不能忽略流体惯性力［20-21］，其动力特性系数与气流力的关系为

式中，M和m分别为直接、交叉耦合惯性力（附加质量）系数。

对不同涡动速度（Ω=0，ω/4，ω/2，3ω/4，ω）的气流力进行求解，然后代入式（1）和式（2），即可得到动力特性系数。

2 仿真计算结果

2.1 计算结果对比

针对梳齿密封三维模型进行仿真计算，并与文献［19］的仿真计算结果进行对比，以验证本文密封模型的精度。

表2所示为密封泄漏量（单位：kg/s）的仿真结果对比，当工质为空气时，两者的误差约为1.3%。表3所示为动力特性系数（K，k，C，c，M，m）的仿真结果对比，与文献［19］相比，除了K偏大之外，k，C，c的吻合度均较高。

表2 密封泄漏量对比Table 2 Comparison of seal leakage flowrate

表3 动力特性系数对比Table 3 Comparison of dynamic characteristic coefficients

2.2 水蒸汽温度对密封动力特性的影响

由表3可知，与空气工质相比，工质为水蒸汽时的质量流量急剧增加，阻尼系数增大约10倍。由于增加了惯性项，因此应考虑流体的附加质量。

根据文献［19］中的工质温度，当计算工质分别为空气和水蒸汽时，作用于转子的气流力与涡动速度间的变化关系分别如图3和图4所示。当工质为空气时，气流力绝对值随着涡动速度的增加而线性增加；当工质为水蒸汽时，由于附加质量的影响，气流力与涡动速度呈二次非线性变化关系。

图3 气流力随涡动速度的变化（T=366.7 K，空气）Fig.3 Fluid induced force versus whirl speed（T=366.7 K，Air）

图4 气流力随涡动速度的变化（T=366.7 K，水蒸汽）Fig.4 Fluid induced force versus whirl speed（T=366.7 K，steam）

图5所示为工质为水蒸汽时密封动力特性系数随其入口温度的变化曲线。随着水蒸汽温度增加，直接耦合刚度系数和交叉耦合刚度系数的绝对值逐渐增加，而直接耦合阻尼系数、交叉耦合阻尼系数、惯性项系数的绝对值则逐渐减小。从稳定性角度而言，交叉耦合刚度系数的增加和直接耦合阻尼系数的减小会导致系统稳定性下降，因此大型机组应考虑工质参数对系统稳定性的影响。

图5 密封入口温度对动力特性系数的影响Fig.5 Influence of seal inlet temperature on the dynamic characteristic coefficients

2.3 水蒸汽温度对密封泄漏特性的影响

表4所示为不同水蒸汽温度的密封泄漏特性，图6所示为相应的非线性关系曲线。由表4和图6可见，随着工质温度的增加，泄漏量逐渐减小；比容逐渐增加，在T=523 K时由于蒸汽从未饱和水变为过热蒸汽，比容急剧增加；运动粘度在未饱和水状态时逐渐减小，在过热蒸汽状态时逐渐增加。

表4 不同水蒸汽温度的密封泄漏特性Table 4 Seal leakage characteristics under different steam temperatures

图6 密封入口温度对泄漏特性的影响（水蒸汽）Fig.6 Influence of seal inlet temperature on the leakage characteristics（steam）

3 结 论

针对传统梳齿密封，本文应用CFD方法建立数值分析模型，对不同工质参数的密封动静特性进行了计算分析，主要结论如下：

1）当工质为水蒸汽时，其质量流量较空气工质急剧增加，阻尼系数增加约10倍，同时还增加了惯性项。随着水蒸汽温度的增加，质量流量呈非线性减小趋势，此时流体的附加质量应予以考虑。

2）工质为空气（理想气体）和水蒸汽时，气流力与涡动速度分别呈线性和二次非线性变化关系。

3）当水蒸汽（过热状态）温度增加时，直接耦合刚度系数和交叉耦合刚度系数的绝对值逐渐增加，而直接耦合阻尼系数、交叉耦合阻尼系数、惯性项系数的绝对值则逐渐减小。由于交叉耦合刚度系数的增加和直接耦合阻尼系数的减小会导致系统稳定性下降，故大型机组更需要考虑工质参数对系统稳定性的影响。

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Influence of steam parameters on static and dynamic characteristics of labyrinth seal

HE Wenqiang1，ZHENG Zhihao1，ZHANG Wanfu2
1 Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China
2 School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China

U664.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.016

2017-02-13< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2017-9-26 10:26

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（11402148）

何文强（通信作者），男，1990年生，硕士，助理工程师。研究方向：转子动力学，船舶动力装置。E-mail：hwqseu@163.com

郑志豪，女，1990年生，硕士，助理工程师。研究方向：动力工程。E-mail：584372697@qq.com

张万福，男，1986年生，博士，讲师。研究方向：气流激振和转子动力学。E-mail：zwf5202006@163.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1026.006.html期刊网址：www.ship-research.com

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