刷式密封泄漏流動(dòng)特性的影響因素分析

刷式密封泄漏流動(dòng)特性的影響因素分析

多排刷式密封試驗(yàn)研究現(xiàn)代大型消防員技術(shù)對(duì)能源效率和可靠性的要求，促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)的不斷發(fā)展。先進(jìn)的電機(jī)和靜態(tài)閉合擠出技術(shù)可以顯著提高大型可靠性。刷式密封在透平機(jī)械的成功應(yīng)用要求進(jìn)一步加強(qiáng)刷式密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)特性的研究,為拓寬刷式密封的應(yīng)用范圍提供理論基礎(chǔ)。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)(CFD)和試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,對(duì)刷式密封內(nèi)流動(dòng)的研究得到了飛速發(fā)展多排刷式密封在大功率汽輪機(jī)軸封的應(yīng)用可提高機(jī)組的效率和經(jīng)濟(jì)性,但是關(guān)于多排刷式密封性能的研究報(bào)道很少,大多針對(duì)試驗(yàn)用的簡(jiǎn)單單排刷式密封進(jìn)行分析研究。針對(duì)大功率汽輪機(jī)傳統(tǒng)高低齒迷宮式密封的結(jié)構(gòu),為了進(jìn)一步減小泄漏量,將高低齒迷宮式密封設(shè)計(jì)成3排刷式密封。本文采用基于改進(jìn)的Darcian多孔介質(zhì)模型數(shù)值求解三維RANS方程技術(shù),對(duì)其泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行研究分析,分別研究了壓比和刷絲束厚度對(duì)其密封性能的影響,為刷式密封在大功率汽輪機(jī)軸封改進(jìn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。1多孔介質(zhì)模型圖2給出了試驗(yàn)測(cè)試的刷式密封幾何結(jié)構(gòu)?·(?刷式密封的刷絲束區(qū)域構(gòu)成多孔介質(zhì)流動(dòng)。采用多孔介質(zhì)模型處理刷絲束內(nèi)流動(dòng)需要確定其滲透率系數(shù)。刷絲束多孔介質(zhì)滲透率系數(shù)的確定需要有刷式密封的泄漏量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)相對(duì)于非多孔介質(zhì)流動(dòng)要受到附加的流體與刷絲束表面間摩擦阻力的作用。多孔介質(zhì)的滲透率系數(shù)是多孔介質(zhì)通過流體能力的表征參數(shù)。牛頓流體通過多孔介質(zhì)的速度和壓降可由Darcy定律給出:-d其中:式(3)是只考慮了粘性阻力效應(yīng)的線性化的Darcian多孔介質(zhì)模型。針對(duì)刷式密封,文獻(xiàn)-d其中:式(4)簡(jiǎn)化為下列形式:-d其中:式(5)表示了流體工質(zhì)通過多孔介質(zhì)中在壓力梯度項(xiàng)和阻力項(xiàng)之間的平衡。反映了通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)特性與流體工質(zhì)和流動(dòng)條件的相關(guān)性。數(shù)值求解RANS方程分析刷式密封泄漏流動(dòng)特性需要將式(5)作為附加項(xiàng)添加在式(2)右邊進(jìn)行求解,以此來考慮泄漏流在刷絲束多孔介質(zhì)中的滲流特性。2計(jì)算模型與網(wǎng)格利用所確定的刷絲束多孔介質(zhì)滲透率系數(shù),采用數(shù)值求解三維RANS方程技術(shù),對(duì)典型的軸端刷式密封的泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行分析研究,同時(shí)比較迷宮式密封的泄漏流動(dòng)特性。圖4給出了二維高低齒迷宮式密封和刷式密封的結(jié)構(gòu)圖。高低齒迷宮式密封的軸端直徑是675mm,凸臺(tái)高是2.5mm,相鄰長(zhǎng)齒間安裝兩個(gè)短齒。高低齒與軸表面的徑向間隙是0.55mm。刷式密封的結(jié)構(gòu)是將高低齒迷宮式密封的長(zhǎng)齒部分設(shè)計(jì)成刷式密封,刷絲束與軸表面的徑向間隙是0.25mm。圖5給出了迷宮式密封的三維計(jì)算網(wǎng)格。圖6表示了刷式密封二維和三維計(jì)算網(wǎng)格。采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對(duì)兩種密封進(jìn)行網(wǎng)格生成,二維網(wǎng)格數(shù)是4萬個(gè),三維網(wǎng)格數(shù)是40萬個(gè)。三維網(wǎng)格是在二維網(wǎng)格的基礎(chǔ)上周向旋轉(zhuǎn)5°生成的。采用商用CFD軟件Fluent數(shù)值求解RANS控制方程。有限體積方法離散控制方程,采用Simple算法和標(biāo)準(zhǔn)3刷絲束厚度對(duì)泄漏量的影響圖7給出了刷式密封結(jié)構(gòu)參數(shù)是刷絲束厚度1.6mm和徑向向間隙是0.25mm時(shí)在7種壓比下的不同網(wǎng)格數(shù)所計(jì)算的泄漏量。根據(jù)圖7的計(jì)算結(jié)果表明,只要網(wǎng)格數(shù)在40萬以上,所采用的數(shù)值計(jì)算方法得到泄漏量與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。因此本文的計(jì)算分析均采用計(jì)算網(wǎng)格數(shù)是40萬左右。圖8表示了設(shè)計(jì)工況壓比1.04時(shí)高低齒迷宮式密封二維流線圖和靜壓等值線分布。從圖8可以看出,從長(zhǎng)齒間隙泄漏射流進(jìn)入旋轉(zhuǎn)軸與相鄰長(zhǎng)短齒間的腔室內(nèi),撞擊到凸臺(tái)上,形成一個(gè)逆時(shí)針的大旋渦。從短齒與凸臺(tái)間隙進(jìn)入兩個(gè)相鄰短齒間空腔內(nèi)形成一個(gè)大的旋渦和頂部區(qū)域的小旋渦。從短齒泄漏射流進(jìn)入相鄰短長(zhǎng)齒間的空腔內(nèi),由于凸臺(tái)和長(zhǎng)齒的作用,形成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦。迷宮齒間隙的泄漏流動(dòng)如此循環(huán)進(jìn)行,直到密封的出口。正是由于密封齒與軸表面和凸臺(tái)間空腔內(nèi)形成的旋渦流動(dòng),有效地將泄漏射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,起到了一定的密封作用。壓力在每經(jīng)過一個(gè)密封齒均有下降,直到等于密封的出口壓力。圖9和圖10分別表示了設(shè)計(jì)工況1.04壓比下刷絲束厚度是2.0和1.2mm時(shí)刷式密封內(nèi)泄漏流動(dòng)流線圖和靜壓等值線分布。從圖9和圖10的流線圖可以看出,刷式密封內(nèi)流動(dòng)形態(tài)與迷宮式密封有較大的區(qū)別,由于刷絲束的多孔介質(zhì)特性,從迷宮式泄漏的射流直接撞擊到刷絲束上,一部分經(jīng)過多孔介質(zhì)刷絲束滲流過進(jìn)入下一個(gè)腔室,另一部分形成回流在腔室內(nèi)構(gòu)成一個(gè)較大的旋渦流,將泄漏射流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。對(duì)于刷絲束厚度是2.0和1.2mm的刷式密封,泄漏流動(dòng)形態(tài)在刷絲束相鄰的腔室基本類似。從圖9和圖10的靜壓等值線分布可以看出泄漏流經(jīng)過刷絲束后的壓力下降大于經(jīng)過迷宮齒時(shí)的情況。由此可以看出刷絲束可以有效地阻止泄漏流,提高密封效果。圖11給出了在7種壓比和5種刷絲束厚度條件下刷式密封泄漏量以及與迷宮式密封的比較。從圖11可以看出,對(duì)于5種刷絲束厚度條件下,刷式密封的泄漏量均小于相同壓比下的迷宮式密封。對(duì)于迷宮式密封,泄漏量近似與壓比成線性關(guān)系,壓比對(duì)迷宮式密封的泄漏流動(dòng)形態(tài)影響較小。對(duì)于刷式密封,壓比和刷絲束厚度對(duì)其泄漏量的影響近似成線性關(guān)系,所以壓比和刷絲束厚度對(duì)其泄漏量有影響,對(duì)其內(nèi)部泄漏流動(dòng)形態(tài)的影響很小。在相同壓比條件下,隨著刷式束厚度的增加,刷式密封的泄漏量減小,但是減小的幅度不大。4刷式密封泄漏量的影響對(duì)某三級(jí)刷式密封的泄漏特性及其影響因素進(jìn)行了數(shù)值研究。數(shù)值方法采用基于改進(jìn)Darcian多孔介質(zhì)模型的RANS方程求解技術(shù)和多塊結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格,分別計(jì)算了7種壓比和5種刷絲束厚度條件下的三級(jí)刷式密封的泄漏流動(dòng)特性。采用試驗(yàn)用刷式密封泄漏量數(shù)據(jù)確定了刷絲束多孔介質(zhì)的滲透率系數(shù)。數(shù)值研究結(jié)果表明,在相同壓比條件下,刷式密封的泄漏量小于迷宮式密封的泄漏量。刷式密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)特性表明泄漏流動(dòng)只能從刷絲束中滲流通過,而迷宮式密封可以從迷宮齒間隙處泄漏通過,導(dǎo)致刷式密封的泄漏量在相同壓比條件下小于迷宮式密封。刷式密封的泄漏量隨著壓比的增加而增加,隨著刷絲束厚度的增加而