發(fā)布時(shí)間：2017-07-14 04:12

  本文關(guān)鍵詞：汽封與平衡孔對(duì)透平級(jí)氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究

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【摘要】：提高透平機(jī)械運(yùn)行效率一直是國(guó)內(nèi)外同行努力追求的目標(biāo)。大功率蒸汽透平高中壓缸內(nèi)的蒸汽工質(zhì)具有高品質(zhì)能量,他們?cè)谕ㄟ^(guò)由靜動(dòng)葉列組成的一系列級(jí)時(shí)轉(zhuǎn)換為有用功。由于流動(dòng)過(guò)程的不可逆性,必然產(chǎn)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(chēng)為工質(zhì)的功率損耗。對(duì)于高中壓缸,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,通過(guò)動(dòng)靜部件間隙工質(zhì)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(lǐng)域,探索新型高性能汽封、平衡孔及其與相關(guān)密封裝置的匹配設(shè)計(jì),降低泄漏流量及其對(duì)主流的干擾,改善汽輪機(jī)通流部分的氣動(dòng)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(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)密封裝置。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐,專(zhuān)業(yè)人員對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和密封原理以及與平衡孔的匹配準(zhǔn)則,都已深入掌握。本文擬通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)際汽輪機(jī)高壓級(jí)迷宮密封的成熟設(shè)計(jì),一方面將相同條件下的泄漏量及相關(guān)參數(shù)軸向力和摩擦扭矩等作為比較基礎(chǔ),另一方面認(rèn)識(shí)密封裝置內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性以及與平衡孔和相關(guān)密封結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計(jì)理念,為新型薄葉汽封在透平級(jí)中的應(yīng)用研究提供思路。本文數(shù)值模擬采用CFX商業(yè)軟件�？紤]到汽封裝置通過(guò)氣體的流量低、通流面積大/小倍數(shù)高、流動(dòng)參數(shù)變化劇烈和局部結(jié)構(gòu)改變突然等特點(diǎn),忽略倒圓等對(duì)流動(dòng)影響不大的細(xì)微結(jié)構(gòu),采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法,分區(qū)劃分流動(dòng)域的計(jì)算網(wǎng)格,建立了適于撲捉流場(chǎng)詳細(xì)信息的計(jì)算模型。分別數(shù)值模擬了設(shè)置迷宮汽封和薄葉汽封的高壓級(jí)隔板流場(chǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)比分析了兩種汽封的工作原理、封嚴(yán)效果和運(yùn)行特性。迷宮汽封的流動(dòng)過(guò)程由一系列串聯(lián)的等于汽封齒數(shù)的逐步加深的節(jié)流過(guò)程組成,它借助轉(zhuǎn)子的凸臺(tái)與比齒頂間隙大得多的空腔,使汽流多次折轉(zhuǎn)并形成復(fù)雜渦系,強(qiáng)化動(dòng)能耗散為熱能,從而增大對(duì)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(zhuǎn)子之間的間隙難于控制,特別是當(dāng)汽輪機(jī)組啟停機(jī)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)數(shù)時(shí),轉(zhuǎn)子較大振動(dòng)會(huì)提高間隙,致使泄漏損失增加。薄葉汽封內(nèi)的流動(dòng)由沿周向并列的等于薄葉數(shù)的節(jié)流過(guò)程組成,泄漏氣體以層流狀態(tài)通過(guò)相鄰薄葉間隙,所受壓差驅(qū)動(dòng)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(shí)降低了對(duì)轉(zhuǎn)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(yīng)能力,能夠自我調(diào)節(jié)加工安裝誤差,運(yùn)行時(shí)靠氣動(dòng)力的作用上抬,與轉(zhuǎn)子表面形成間隙,而且上抬量愈大,密封性愈好。即使與轉(zhuǎn)子碰摩,也會(huì)磨損薄葉形成所需間隙,而不損傷轉(zhuǎn)子。通過(guò)有無(wú)平衡孔和純流道三個(gè)一級(jí)半高壓透平計(jì)算方案的數(shù)值模擬和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,研究了迷宮汽封與平衡孔匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該一級(jí)半透平隔板和動(dòng)葉葉冠采用轉(zhuǎn)子帶凸臺(tái)的長(zhǎng)短齒迷宮汽封,級(jí)內(nèi)軸向間隙設(shè)置動(dòng)葉輪緣凸起和隔板凹下的簡(jiǎn)單密封,并在動(dòng)葉葉輪上匹配設(shè)置了平衡孔。數(shù)值結(jié)果表明,由于這種傳統(tǒng)成熟迷宮汽封與平衡孔設(shè)計(jì)考慮了各泄漏部位前后壓差與流動(dòng)方向的匹配,使得動(dòng)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(jí)后軸向間隙漏汽量之和,不僅降低了級(jí)的泄漏損失,而且抑制了泄漏流動(dòng)對(duì)主流的擾動(dòng)。開(kāi)發(fā)薄葉汽封與平衡孔及其它密封結(jié)構(gòu)如何匹配設(shè)計(jì),才能發(fā)揮薄葉汽封的密封先進(jìn)性,首先數(shù)值模擬了使用薄葉汽封替換一級(jí)半透平中的隔板和葉冠迷宮汽封對(duì)級(jí)氣動(dòng)性能的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于主流由動(dòng)葉輪緣前間隙大量向軸向間隙泄漏,通過(guò)平衡孔的級(jí)泄漏量不但沒(méi)有降低,反而強(qiáng)化了對(duì)動(dòng)葉后主流的干擾。綜合迷宮汽封和平衡孔匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與本算例給予的啟示,在葉輪輪緣前軸向間隙匹配設(shè)置了帶臺(tái)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(diào)整到稍大于平衡孔與級(jí)后軸向間隙漏汽量之和。數(shù)值結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)匹配設(shè)計(jì)的薄葉汽封密封裝置與迷宮汽封比較,級(jí)的泄漏量下降2.5倍,并且抑制了泄漏流動(dòng)對(duì)主流的干擾,致使級(jí)等熵效率提高了近1%,軸向力下降7.6%。
【關(guān)鍵詞】：蒸汽透平級(jí) 迷宮汽封 薄葉汽封 平衡孔 匹配設(shè)計(jì) 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：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(jī)械典型密封裝置及其研究現(xiàn)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(yīng)用研究35-36
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容36-38
• 第2章 數(shù)值模擬軟件介紹38-48
• 2.1 引言38
• 2.2 數(shù)值模擬軟件CFX38-45
• 2.2.1 控制方程38-39
• 2.2.2 計(jì)算方法39-40
• 2.2.3 湍流模型40-41
• 2.2.4 轉(zhuǎn)捩模型41-43
• 2.2.5 壁面函數(shù)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(jì)算方法數(shù)值驗(yàn)證45-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第3章 迷宮與薄葉汽封流場(chǎng)及泄漏特性數(shù)值分析48-80
• 3.1 引言48
• 3.2 迷宮汽封的數(shù)值研究48-61
• 3.2.1 迷宮汽封模型及數(shù)值模擬方法48-51
• 3.2.2 流場(chǎng)分析51-61
• 3.3 薄葉式汽封的數(shù)值模擬61-74
• 3.3.1 薄葉汽封模型及計(jì)算方法61-64
• 3.3.2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與密封特性的對(duì)比分析74-78
• 3.4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的對(duì)比74-75
• 3.4.2 密封機(jī)理和封嚴(yán)性的對(duì)比75-76
• 3.4.3 兩種汽封內(nèi)流動(dòng)特性的對(duì)比76-77
• 3.4.4 封嚴(yán)性影響因素的比較77
• 3.4.5 對(duì)軸扭矩的影響77-78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 第4章 迷宮式汽封及平衡孔在透平級(jí)中的應(yīng)用研究80-113
• 4.1 引言80
• 4.2 數(shù)值模擬模型及計(jì)算方案80-89
• 4.2.1 幾何模型80-82
• 4.2.2 密封結(jié)構(gòu)82-84
• 4.2.3 網(wǎng)格劃分84-86
• 4.2.4 邊界條件86-88
• 4.2.5 計(jì)算方案88-89
• 4.3 靜葉隔板汽封齒附近的流動(dòng)89-97
• 4.4 動(dòng)葉頂部間隙內(nèi)的流動(dòng)97-101
• 4.5 平衡孔附近的流動(dòng)101-108
• 4.6 總體參數(shù)對(duì)比108-111
• 4.7 本章小結(jié)111-113
• 第5章 薄葉汽封應(yīng)用于透平級(jí)的匹配特性研究113-155
• 5.1 引言113
• 5.2 計(jì)算模型及計(jì)算方法113-122
• 5.2.1 幾何模型及計(jì)算方案113-114
• 5.2.2 密封結(jié)構(gòu)114-117
• 5.2.3 網(wǎng)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(jì)算方案可行性分析122-126
• 5.3.1 不同靜葉隔板汽封對(duì)通流特性的影響122-124
• 5.3.2 不同動(dòng)葉葉頂汽封對(duì)通流特性的影響124-126
• 5.4 薄葉汽封和平衡孔的匹配設(shè)計(jì)126-154
• 5.4.1 在級(jí)內(nèi)軸向間隙設(shè)置汽封127-130
• 5.4.2 薄葉汽封透平級(jí)泄漏流動(dòng)特性分析130-147
• 5.4.3 主流流場(chǎng)性能分析147-154
• 5.5 本章小結(jié)154-155
• 結(jié)論155-157
• 參考文獻(xiàn)157-168
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果168-171
• 致謝171-172
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷172

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本文編號(hào)：539606