本文關鍵詞：汽封與平衡孔對透平級氣動性能影響的數值研究

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【摘要】：提高透平機械運行效率一直是國內外同行努力追求的目標。大功率蒸汽透平高中壓缸內的蒸汽工質具有高品質能量,他們在通過由靜動葉列組成的一系列級時轉換為有用功。由于流動過程的不可逆性,必然產生能量損失,包括葉型損失、二次流損失、摻混損失和泄漏損失等,統(tǒng)稱為工質的功率損耗。對于高中壓缸,統(tǒng)計數據表明,通過動靜部件間隙工質泄漏造成的功率損耗占總功率損耗的51%。因此,在蒸汽透平研究領域,探索新型高性能汽封、平衡孔及其與相關密封裝置的匹配設計,降低泄漏流量及其對主流的干擾,改善汽輪機通流部分的氣動性能,是研究人員面臨的主攻課題之一。迷宮汽封是目前汽輪機和燃氣輪機廣泛應用的傳統(tǒng)密封裝置。經過長期工程實踐,專業(yè)人員對其結構特點和密封原理以及與平衡孔的匹配準則,都已深入掌握。本文擬通過數值模擬實際汽輪機高壓級迷宮密封的成熟設計,一方面將相同條件下的泄漏量及相關參數軸向力和摩擦扭矩等作為比較基礎,另一方面認識密封裝置內部流場的流動特性以及與平衡孔和相關密封結構的匹配設計理念,為新型薄葉汽封在透平級中的應用研究提供思路。本文數值模擬采用CFX商業(yè)軟件。考慮到汽封裝置通過氣體的流量低、通流面積大/小倍數高、流動參數變化劇烈和局部結構改變突然等特點,忽略倒圓等對流動影響不大的細微結構,采用結構化和非結構化網格相結合的方法,分區(qū)劃分流動域的計算網格,建立了適于撲捉流場詳細信息的計算模型。分別數值模擬了設置迷宮汽封和薄葉汽封的高壓級隔板流場結構,對比分析了兩種汽封的工作原理、封嚴效果和運行特性。迷宮汽封的流動過程由一系列串聯(lián)的等于汽封齒數的逐步加深的節(jié)流過程組成,它借助轉子的凸臺與比齒頂間隙大得多的空腔,使汽流多次折轉并形成復雜渦系,強化動能耗散為熱能,從而增大對泄漏汽體的阻抗,降低泄漏量。但是,迷宮汽封是非接觸式密封,齒頂與轉子之間的間隙難于控制,特別是當汽輪機組啟停機通過臨界轉數時,轉子較大振動會提高間隙,致使泄漏損失增加。薄葉汽封內的流動由沿周向并列的等于薄葉數的節(jié)流過程組成,泄漏氣體以層流狀態(tài)通過相鄰薄葉間隙,所受壓差驅動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1/3,同時降低了對轉子的摩擦扭矩。特別是在密封效果相同的條件下,占有小得多的軸向尺寸,并且具有良好的自適應能力,能夠自我調節(jié)加工安裝誤差,運行時靠氣動力的作用上抬,與轉子表面形成間隙,而且上抬量愈大,密封性愈好。即使與轉子碰摩,也會磨損薄葉形成所需間隙,而不損傷轉子。通過有無平衡孔和純流道三個一級半高壓透平計算方案的數值模擬和計算結果的對比分析,研究了迷宮汽封與平衡孔匹配設計準則。該一級半透平隔板和動葉葉冠采用轉子帶凸臺的長短齒迷宮汽封,級內軸向間隙設置動葉輪緣凸起和隔板凹下的簡單密封,并在動葉葉輪上匹配設置了平衡孔。數值結果表明,由于這種傳統(tǒng)成熟迷宮汽封與平衡孔設計考慮了各泄漏部位前后壓差與流動方向的匹配,使得動葉前后軸向間隙從主流吸入微量氣體,后繼靜葉隔板汽封泄漏量稍大于平衡孔和級后軸向間隙漏汽量之和,不僅降低了級的泄漏損失,而且抑制了泄漏流動對主流的擾動。開發(fā)薄葉汽封與平衡孔及其它密封結構如何匹配設計,才能發(fā)揮薄葉汽封的密封先進性,首先數值模擬了使用薄葉汽封替換一級半透平中的隔板和葉冠迷宮汽封對級氣動性能的影響。模擬結果發(fā)現,由于主流由動葉輪緣前間隙大量向軸向間隙泄漏,通過平衡孔的級泄漏量不但沒有降低,反而強化了對動葉后主流的干擾。綜合迷宮汽封和平衡孔匹配設計準則與本算例給予的啟示,在葉輪輪緣前軸向間隙匹配設置了帶臺階的高低齒五齒迷宮密封,并將后繼靜葉隔板薄葉汽封泄漏量調整到稍大于平衡孔與級后軸向間隙漏汽量之和。數值結果表明,經過匹配設計的薄葉汽封密封裝置與迷宮汽封比較,級的泄漏量下降2.5倍,并且抑制了泄漏流動對主流的干擾,致使級等熵效率提高了近1%,軸向力下降7.6%。
【關鍵詞】：蒸汽透平級 迷宮汽封 薄葉汽封 平衡孔 匹配設計 數值模擬
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK262
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 課題背景及研究意義14-15
• 1.2 透平機械典型密封裝置及其研究現狀15-35
• 1.2.1 迷宮式密封15-22
• 1.2.2 薄葉式汽封22-28
• 1.2.3 蜂窩汽封28-30
• 1.2.4 刷式汽封30-35
• 1.3 平衡孔及其應用研究35-36
• 1.4 本文的主要研究內容36-38
• 第2章 數值模擬軟件介紹38-48
• 2.1 引言38
• 2.2 數值模擬軟件CFX38-45
• 2.2.1 控制方程38-39
• 2.2.2 計算方法39-40
• 2.2.3 湍流模型40-41
• 2.2.4 轉捩模型41-43
• 2.2.5 壁面函數43-44
• 2.2.6 邊界條件處理44
• 2.2.7 前處理與后處理44-45
• 2.3 計算方法數值驗證45-47
• 2.4 本章小結47-48
• 第3章 迷宮與薄葉汽封流場及泄漏特性數值分析48-80
• 3.1 引言48
• 3.2 迷宮汽封的數值研究48-61
• 3.2.1 迷宮汽封模型及數值模擬方法48-51
• 3.2.2 流場分析51-61
• 3.3 薄葉式汽封的數值模擬61-74
• 3.3.1 薄葉汽封模型及計算方法61-64
• 3.3.2 流場結構分析64-72
• 3.3.3 泄漏流量與摩擦扭矩的變化72-74
• 3.4 兩種形式汽封結構與密封特性的對比分析74-78
• 3.4.1 結構特點的對比74-75
• 3.4.2 密封機理和封嚴性的對比75-76
• 3.4.3 兩種汽封內流動特性的對比76-77
• 3.4.4 封嚴性影響因素的比較77
• 3.4.5 對軸扭矩的影響77-78
• 3.5 本章小結78-80
• 第4章 迷宮式汽封及平衡孔在透平級中的應用研究80-113
• 4.1 引言80
• 4.2 數值模擬模型及計算方案80-89
• 4.2.1 幾何模型80-82
• 4.2.2 密封結構82-84
• 4.2.3 網格劃分84-86
• 4.2.4 邊界條件86-88
• 4.2.5 計算方案88-89
• 4.3 靜葉隔板汽封齒附近的流動89-97
• 4.4 動葉頂部間隙內的流動97-101
• 4.5 平衡孔附近的流動101-108
• 4.6 總體參數對比108-111
• 4.7 本章小結111-113
• 第5章 薄葉汽封應用于透平級的匹配特性研究113-155
• 5.1 引言113
• 5.2 計算模型及計算方法113-122
• 5.2.1 幾何模型及計算方案113-114
• 5.2.2 密封結構114-117
• 5.2.3 網格劃分117-121
• 5.2.4 邊界條件及各區(qū)域連接界面121-122
• 5.3 計算方案可行性分析122-126
• 5.3.1 不同靜葉隔板汽封對通流特性的影響122-124
• 5.3.2 不同動葉葉頂汽封對通流特性的影響124-126
• 5.4 薄葉汽封和平衡孔的匹配設計126-154
• 5.4.1 在級內軸向間隙設置汽封127-130
• 5.4.2 薄葉汽封透平級泄漏流動特性分析130-147
• 5.4.3 主流流場性能分析147-154
• 5.5 本章小結154-155
• 結論155-157
• 參考文獻157-168
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果168-171
• 致謝171-172
• 個人簡歷172

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本文編號：539606