高速旋转的汽轮机隔板密封内流体流动的模拟

采用数值求解粘性Navier-Stokes方程,研究考虑轴旋转效应的汽轮机高低齿迷宫式隔板密封内流体流动特性及其影响因素.采用有限体积方法离散控制方程,紊流模型采用标准κ-ε两方程模型进行求解.数值模拟了三种齿间距下不同压比时的高低齿迷宫式隔板密封内部的流场特性,并且计算了相应的无量纲流量系数.计算结果揭示了隔板密封内由于环形腔室和高低齿的作用导致密封内流体的动能有效地耗散为热能,起到了密封的作用.研究结果表明：在相同的几何结构下,压比的增加导致密封泄漏量的减小;在相同的压比条件下,密封的泄漏量随着齿间距的减小而减小.图6参4     

汽轮机光轴迷宫式隔板汽封内部流场的数值模拟

采用数值方法研究了汽轮机低压整体加工尖齿和斜齿两种不同结构光轴迷宫式隔板汽封的三维内部流场。采用有限体积方法离散Navier Stokes方程,标准k ε两方程紊流模型封闭方程组。数值求解方法采用SIMPLE算法,迎风2阶格式求解对流项,迎风1阶格式求解扩散项。数值模拟结果证明了:在一定的隔板汽封轴向距离和相同的压力差条件下,齿数的减少导致泄漏量增加,同时揭示了光轴迷宫式隔板汽封内复杂的三维流场特性,为工程优化设计光轴迷宫式隔板汽封提供了理论依据和技术支撑。图5表2参4     

基于FLUENT的某型燃气轮机迷宫密封机理研究

针对影响透平机械中旋转迷宫密封泄漏特性的3个因素:密封间隙、压比、转速,以某型燃气轮机的隔板迷宫密封为研究对象,数值研究了各个因素对迷宫密封泄漏特性的影响规律,计算分析了该迷宫密封在不同工况下的泄漏特性。研究结果表明:随着转子转速的增加,迷宫密封泄漏量减小;相同密封间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,泄漏量随着密封间隙的减小而减小,且泄漏量减小的速度越来越慢。     

高速齿轮箱迷宫密封流场和泄漏特性的数值研究

以某型大功率机车传动齿轮箱轴端迷宫密封为研究对象,建立错齿式迷宫密封的数值仿真模型。通过分析迷宫密封的密封机理和对泄漏量的影响因素,确定了数值模拟的边界条件。应用Fluent软件,求解N-5方程和能量方程,模拟迷宫密封腔内流场分布及泄漏特性,研究转速、压比和密封齿隙对泄漏特性的影响规律。研究结果表明：随着进出口压比的增加,泄漏系数先快速增加后趋于平缓;转速对泄漏系数影响很小;泄漏系数与齿隙呈分段线性关系。     

转子轴向位移对迷宫密封泄漏特性的影响

采用数值求解三维雷诺平均的N-S方程的方法,研究了透平机械的转子轴位移、汽封密封压比对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律。在定转速、定密封间隙情况下计算典型迷宫密封在6种密封压比、4种轴向位移距离下的泄漏特性。研究结果表明:在所分析的工况下,转子轴向位移对泄漏量具有较大影响;位移距离小于1mm时,泄漏量随位移的增大而增大;位移距离大于1mm时,泄漏量随位移的增大而减小。在迷宫密封泄漏量Egli计算公式的基础上,通过引入修正系数修正转子轴向位移对迷宫密封泄漏量的影响,构建了新的预测迷宫密封在转子发生位移时泄漏流量的计算公式,并进行了数值验证。研究结果可为迷宫密封轴向间隙的设置提供参考。     

汽轮机直齿与斜齿汽封内部流场的数值计算与结构优化

利用数值计算软件对汽轮机光轴直齿与斜齿两种结构的迷宫式汽封内部流场进行了数值研究,给出了汽封内部流动特性和漏汽量随相对齿间距和齿倾斜角度变化的规律.在汽封段轴向长度一定和相同的流动条件下,存在最佳齿数范围和倾角范围,它可使迷宫式汽封的漏汽量最小.     

超微燃气透平非接触式密封的三维CFD数值分析

提出将螺旋密封应用于超微燃气透平气体介质密封.采用三维CFD数值计算方法分析了微尺度下无密封齿、迷宫密封和螺旋密封的泄漏规律及流场规律.结果表明:微尺度下迷宫密封最优齿数的存在与进、出口压比和密封间隙有关,而齿形对密封性能的影响没有宏观尺度下明显.在小压比下,密封轴转速对螺旋密封性能的提高明显,其泄漏减少量最高可达19.3%,因此螺旋密封显然优于迷宫密封和无密封齿;在大压比下,螺旋密封与迷宫密封的效果相当,均优于无密封齿.当压比为2时,迷宫密封的泄漏率比无密封齿降低27.1%.     

迷宫密封流场和泄漏量的数值分析与研究

应用Fluent计算软件采用标准k-ε湍流模型求解迷宫密封三维流场,研究了涡动转子在不同压比和偏心位移下密封腔室内的流场特性.进一步讨论了转子涡动速度、进出口压比和偏移位移对迷宫密封泄漏量的影响.研究发现,涡动速度越大对密封泄漏量的影响也越大,随着涡动速度的增加密封泄漏量降低;不同的进出口压比使密封中流体的轴向流速不同,当轴向流动速度达到跨音速以上时,密封泄漏量特性发生明显变化,此时密封泄漏量达到最大;密封转子的径向偏移量会增加密封的泄漏量.为了能在工程实际中更快更好地计算迷宫密封泄漏量,进一步修正和完善了Egli密封泄漏量经验计算公式,完善后的计算公式对迷宫密封工程设计及运行具有一定的意义.     

刷式密封泄漏流动特性影响因素的研究

采用基于改进Darcian多孔介质模型的Reynolds-Av-eraged Navier-Stokes方程求解技术,用数值模拟的方法分析了在一定径向间隙条件下压比和刷丝束厚度对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。根据发表的刷式密封泄漏量试验数据,确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数。利用所确定的刷丝束多孔介质渗透率系数,分别计算了在一定径向间隙条件下7种压比和5种刷丝束厚度时某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态。计算结果表明,压比和刷丝束厚度均影响刷式密封的泄漏量,在一定压比条件下,泄漏量随着刷丝束厚度的增加而减小;在一定刷丝束厚度条件下,泄漏量随着压比的增加而增加。因为刷式密封泄漏量与压比和刷丝束厚度近似成线性变化,所以压比和刷丝束厚度对刷式密封内泄漏流动形态的影响可以忽略。     

迷宫密封结构设计优化

耦合Kriging代理模型、迷宫密封参数化方法和自适应差分进化算法,在数值验证的基础上,完成了某迷宫式密封多目标鲁棒性设计优化.优化时,选取压比和密封间隙作为不确定性变量,同时选取齿厚等10个几何参数作为优化变量,以迷宫密封泄漏量的均值及其方差最小为目标,进行多目标优化.优化后,在给定压比和间隙条件下,最优设计泄漏量降低了29.85%,在压比及间隙同时变化时,密封性能提升同样明显,从而验证了多目标设计优化方法的正确性.     

高低齿迷宫密封流场和泄漏特性CFD研究

应用Fluent软件,采用Simple算法和SSTK-w湍流模型,通过求解Navier-Stokes方程和能量方程来模拟迷宫密封腔内部流场及泄漏特性,计算结果与文献中的实验结果进行比较,最大误差为4%,验证了应用Fluent模拟迷宫密封腔内部流场的可靠性.在此基础上,研究了高低齿迷宫密封腔内部流动和泄漏特性,并通过引入修正系数对节流口射流收缩和空腔动能耗散不完善的影响进行了修正,构造了泄漏量计算公式.与现有的同类公式比较,该公式无需通过实验来确定参数,且能够更加准确的计算迷宫密封的泄漏量.     

计算刷式汽封泄漏流动的多孔介质模型

通过对刷式密封刷丝束中泄漏流动特点的分析,把刷丝束当作多孔介质来处理,有效简化刷丝束中复杂的泄漏流动,建立了刷丝束中多孔介质的泄漏流动模型。刷式密封内泄漏流动的特性采用的是基于多孔介质模型Reynolds-averaged Navier-Stokes方程的数值计算方法进行研究的。计算和分析了不同转速、不同压差和不同孔隙率下的泄漏流量。计算结果表明:在相同的孔隙率下,压差越大泄漏量越大;在相同的压差下,孔隙率越小,泄漏量越小;刷式密封的泄漏量与轴的转速无关。通过数值计算和实验结果的对比,两者数据吻合较好,验证了采用多孔介质模型模拟刷式密封刷丝束的可行性。     

基于热力学效应的迷宫密封封严机理数值研究

热力学效应的研究是揭示迷宫密封封严机理的关键。建立了三维迷宫密封热力学求解模型,推导了考虑热力学效应的密封泄漏量公式,研究了压比、偏心率、密封间隙对迷宫密封熵增与泄漏量的影响规律,从热力学效应角度分析了迷宫密封的流场特性与泄漏特性。研究结果表明:所建立的密封泄漏量公式能够反映热力学效应与泄漏量之间的关系;熵增反映了迷宫密封气体动能转换成热能的程度,热力学效应越充分,熵增的幅度就越小,密封性能越好。压比、偏心率和密封间隙是通过影响气体热力学效应来影响密封泄漏量的;泄漏量随压比和密封间隙的增大而增大,二者近似呈线性关系。随着偏心率的增大,密封封严性能降低,相比于转子同心工况,偏心率为0.9时泄漏量增大了6%。转子高速旋转下与气体摩擦产热所产生的功率耗散会引起气体温度升高。通过研究迷宫密封流场特性和能量耗散,从热力学效应角度进一步揭示了迷宫密封的封严机理。     

燃气轮机迷宫-刷子密封泄漏特性的试验研究

为研究典型迷宫-刷子密封结构的泄漏特性,搭建了研究密封泄漏特性的试验平台,进行了变高低齿齿隙、变刷子间隙、变压比、变转速等泄漏特性试验。试验结果表明:迷宫-刷子密封的流量系数随着刷子密封的相对间隙增大而增大,且增大到某一值时(0.7～0.8)与原常规的迷宫式密封流量系数相同;相同的刷子密封间隙下,流量系数随着压比的增大而降低;密封流量系数随着转速的升高略有下降。试验结果对迷宫-刷子密封在燃气轮机上的应用具有重要指导价值。     

迷宫密封转子动力学特性的数值模拟

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF(Bulk Flow)方法计算值进行了比较.研究结果表明:所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF方法.对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大.过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性.     

倾斜齿迷宫密封动力特性与减振机理研究

在建立倾斜齿迷宫密封三维数值模型的基础上,应用密封动力特性识别模型和数值计算方法,研究了倾斜齿迷宫密封动力特性和减振机理。结果表明：相比于直齿迷宫密封(Straightteeth labyrinth seal, STLBS),前倾齿迷宫密封(Forward inclined-tooth labyrinth seal, FILBS)泄漏量明显偏低,而后倾齿迷宫密封(Backward inclined-tooth labyrinth seal, BILBS)泄漏量明显偏高;3种迷宫密封动力特性系数关系为：FILBS>STLBS>BILBS,且BILBS动力特性系数对后倾角变化更敏感。随前倾角增大,存在最佳倾角范围(45°～60°)使得密封有效刚度几乎保持不变,有效阻尼最高;与STLBS相比,FILBS可增大转子表面负的切向力绝对值,使密封动力稳定性提升,而BILBS易导致密封稳定性下降。     

防旋板对迷宫密封转子动力特性影响的研究

采用基于多频涡动模型、动网格技术和数值求解三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程的方法研究了进口防旋板对迷宫密封转子动力特性系数的影响。对比分析了无进口防旋板、传统进口防旋板、反旋流进口防旋板和流线型进口防旋板的迷宫密封在不同涡动频率下的转子动力特性系数。研究结果表明:进口防旋板结构可以有效抑制泄漏流体的周向流动,提高迷宫密封的有效阻尼。流线型进口防旋板能够有效地改变迷宫密封进口旋流的流动方向,提高有效阻尼的能力最佳。     

刷式密封泄漏流动特性数值模拟

将刷式密封区域视为多孔介质,建立刷式密封CFD数值分析模型;结合FLUENT软件,通过求解Non-Darcian多孔介质模型的能量方程和(RANS)完全雷诺平均方程的方法,对影响刷式密封泄漏流动规律的一些物理量,比如刷式密封栅栏高度、间隙大小、压比和刷丝束宽度等进行了相关模拟研究;推导并验证了文中所应用的多孔介质阻尼系数。结果表明:在相同压比情况下,栅栏高度越低,泄漏量越大。刷式密封泄漏量会伴随压比变化呈线性变化。对于相同的栅栏高度,随着压比的增加,泄漏量均呈直线上升。     

孔型密封泄漏特性影响因素研究

采用计算流体力学方法研究孔型密封的泄漏特性,特别是孔形和面积比对泄漏特性的影响。结果表明:随转速增加泄漏量减小,随压比增加泄漏量增大并趋稳,最大压比的泄漏量为0.118 kg/s;相同面积比与孔数下,圆孔密封性能最好,蜂窝孔(六边形)次之,矩形孔最差;且传统蜂窝密封性能优于六棱台形式的蜂窝密封,泄漏量减小10.61%;随孔深增加泄漏量减小并趋稳,最大孔深的泄漏量为0.114 kg/s;面积比增加有利于提高密封性能;改变蜂窝孔对边距比减小壁厚对密封性能更有利。     

600MW汽轮机隔板汽封流场与汽流激振力的数值计算

通过建立600MW超临界机组隔板密封三维模型,应用Fluent软件模拟计算与汽缸同心的转子在有无旋转的情况下对隔板汽封蒸汽泄漏量的影响;研究了在转速3 000r/min,转子无偏心,进出口压力改变时隔板汽封蒸汽泄漏量的变化情况;并分析偏心距对泄漏量和汽流激振力的影响规律。计算结果与分析表明,进出口压比对迷宫密封性能的影响是随着进出口压比的增大泄漏量增大;偏心距增大泄漏量增大,同时汽流激振力也随之增大。