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2005 Fluent 中国用户大会论文集
汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封内部流动的数值研究

李军,丰镇平
(西安交通大学能源与动力工程学院•叶轮机械研究所,西安 710049)

摘要:针对汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封的复杂结构和轴的旋转效应,采用 CFD 商用软件 FLUENT 数值求解三维
Navier-Stokes 方程技术研究其内部流动。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。研究分析整体加
工直齿和镶片式尖齿两种高低齿迷宫式隔板汽封的流动特性和泄漏量。数值模拟结果证明了齿间距增大,泄漏量相
应增加,凸台的位置也影响泄漏量。数值模拟得到的流场揭示了高低齿迷宫式隔板汽封内的复杂流动特性。本研究
工作为工程设计高低齿迷宫式隔板汽封提供了理论依据和技术支撑。
关键词:汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封数值模拟

1. 前言
现代火力发电厂汽轮机汽封一般采用梳齿迷宫式汽封,迷宫式汽封的密封原理是齿与转子间形
成的一系列节流间隙与膨胀空腔,使通过的工作蒸汽产生节流与热力学效应而达到密封效果。汽封
按其装置位置的不同可分为轴端汽封(轴封),隔板汽封和通流部分汽封(叶顶汽封)三类。对于隔
板汽封,在汽轮机的高压端,缸内蒸汽压力高,为减少蒸汽的泄漏量,一般采用高低齿式汽封。在
低压端,常采用光轴汽封,以适应转子和汽缸较大差胀的需要[1]。
随着节能和现代火电技术的发展,超临界汽轮机的应用范围越来越广泛,蒸汽压力高,级间密
度大,造成漏气损失增加,而为了防止或减缓汽封片的磨损,又不能选择过小的间隙,因此合适的
高低齿迷宫式隔板汽封的设计,既可以减少漏汽损失,又可以避免机组运行过程中发生转子低频振
动,提高轴系稳定性[2,3]。
1由于高低齿隔板汽封的复杂性和转子的高速旋转造成其内部的三维紊流,使得实验研究其内部
流动特性变得非常困难。随着计算机技术和计算流体动力学水平的发展,数值研究汽封内部流动,
提高汽封设计水平,逐渐在汽轮机制造业受到重视而得到相应的发展。蔡虎等人采用数值方法研究
了叶顶汽封的流动对叶片主流流场影响情况[4]。Schlienger 等人采用实验方法研究了两种不同形状的
叶顶汽封内部流动特性,主要研究分析了叶顶汽封内的泄漏流对叶片流道内二次流影响的特性[5]。
Denecke 等人采用实验方法研究了动叶叶顶汽封齿与沟槽的形状和相对位置对泄漏量的影响[6]。但是
对于具有高速旋转的高低齿迷宫式隔板汽封内部流场的数值研究的报道却较少。
本文采用 CFD 商用软件 FLUENT 数值方法研究了汽轮机高压整体加工直齿和镶片式尖齿两种
不同结构高低齿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,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齿间距增大,泄漏量相应增加,凸台的位置对泄漏量也有
影响。数值模拟得到的流场揭示了高低齿迷宫式隔板汽封内的复杂流动特性。本研究工作为工程设
计高