徑向輪緣密封封嚴效率的數值研究

高慶,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所, 710049, 西安)

徑向輪緣密封封嚴效率的數值研究

高慶,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所, 710049, 西安)

通過SST湍流模型求解三維Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 方程組,研究了渦輪徑向輪緣密封封嚴特性,采用附加變量法研究了主流入侵程度,數值計算獲得的主流通道壓力及輪緣密封封嚴效率分布與實驗數據吻合良好,在此基礎上研究了幾何結構參數對渦輪徑向輪緣密封的封嚴性能的影響規律。結果表明:徑向輪緣密封封嚴效率隨著密封內齒長度的增加而升高,隨著徑向間隙尺寸的減小而升高;密封徑向內齒向下傾斜時,密封封嚴效率提高;與徑向內齒安裝在靜盤側相比,安裝在動盤側時的密封封嚴效率更高;密封的軸向及徑向等幾何參數一定時,采用迎風齒結構可以提高徑向輪緣密封的封嚴性能。

渦輪;輪緣密封;封嚴效率;數值模擬

渦輪盤是燃氣透平中重要的承力部件,靜止隔板與轉動輪盤之間存在輪盤腔室,在實際流動過程中,高溫主流氣體會通過輪緣間隙入侵輪盤腔室,從而加熱輪盤,導致渦輪盤變形,造成安全隱患[1]。為了避免輪盤過熱,需要采用空氣冷卻系統對輪盤進行冷卻。輪緣密封是二次空氣冷卻系統的重要組成部分,可阻止高溫主流氣體入侵輪盤腔室。性能優良的輪緣密封結構,可以減少從壓氣機引入的冷氣量,提高發動機的氣動效率,因此輪緣密封封嚴效率及其影響因素的研究具有重要意義。

國內外學者在輪緣密封封嚴效率方面進行了實驗及數值研究。Roy等在單級透平實驗平臺上研究了2種不同靜葉/動葉布置時的輪緣密封性能,給出了利用CO2示蹤氣體濃度定義的封嚴效率在盤腔中的分布[2]。Bohn等利用LDV技術對一個1.5級模型透平上游腔室的輪緣密封及盤腔內部的速度場進行了實驗測量,對比了各種封嚴冷氣量下不同位置的速度場分布[3]。Zhou等實驗研究了3種高寬比和相同輪緣密封形狀的輪盤腔室結構對主流燃氣入侵輪盤腔室的影響[4]。Hills等數值研究了主流燃氣通過渦輪輪緣密封入侵輪盤腔室的非定常流動特性[5]。Mirzamoghadam等對一高壓透平的輪緣密封燃氣入侵特性進行了定常數值研究,比較了不同冷氣量下燃氣入侵及與主流的相互影響[6]。文獻[7]對軸向輪緣密封的燃氣入侵特性進行了數值研究,并利用孔板模型進行了分析。

本文以文獻[8]模型為對象,采用附加變量法研究了軸向和徑向輪緣密封的封嚴效率,以及徑向輪緣密封的徑向齒長度、徑向間隙尺寸、徑向齒傾斜角度、徑向內齒安裝位置和迎風齒結構對封嚴效率的影響,以期為徑向輪緣密封幾何結構設計提供參考。

1 計算方法及模型

1.1 計算方法

采用濃度法實驗測量輪緣密封封嚴效率時,先在主流中加入示蹤氣體,然后測量盤腔內固定測點位置的示蹤氣體濃度,由示蹤氣體濃度來表征主流入侵盤腔的程度及輪緣密封的封嚴效率[8]。封嚴效率定義為

(1)

式中:cs為參考點示蹤氣體濃度;ca為主流進口示蹤氣體濃度;c0為冷氣流進口示蹤氣體濃度。

本文采用添加附加變量的方法來數值研究輪緣密封的封嚴效率,通過添加附加變量、求解湍流輸運方程來模擬示蹤氣體在主流通道及盤腔內的輸運擴散過程。湍流流動的標量輸運方程通用式為

(2)

式中:φ為示蹤氣體的比體積濃度;Sφ為體積源項;Dφ為動能擴散系數;μt為湍流黏度;Sct為湍流施密特數。溫度為300K時,標準大氣壓下CO2在空氣中的Dφ=1.6e-5m2/s。

計算中冷氣進口示蹤附加變量值為1,主流進口示蹤附加變量值為0,主流入侵和封嚴冷氣流的摻混將使得計算域中示蹤附加變量值介于0和1之間。根據式(1),當盤腔處于完全封嚴狀態時,輪緣密封的封嚴效率為1;當盤腔處于完全入侵狀態時,封嚴效率為0。

1.2 方法驗證

本文考核的對象是單級模型透平的輪緣密封結構[8]。由于主流透平級通道涉及靜止域和旋轉域的數據信息傳遞,以及動靜葉交接面位置對渦輪盤腔的影響,所以考核涉及4種模型(A～D)。計算模型為周期性的,定常時采用混合平面法處理交界面,非定常時采用滑移面法處理交界面。為了保證動靜邊界處的周向范圍相同,非定常計算中對動葉進行了區域縮放,以滿足計算要求。圖1為計算模型靜止域、旋轉域以及動靜葉交界面位置示意。在模型A、B中,盤腔計算域為靜止域,動靜葉交界面在輪緣密封進口下游,其中模型A為定常的,模型B為非定常的;在模型C、D中,盤腔計算域為旋轉域,動靜葉交界面在輪緣密封進口上游,其中模型C為定常的,模型D為非定常的。

(a)模型A、B (b)模型C、D

圖2為冷氣量Cw=986時4種模型的封嚴效率沿徑向分布的計算值與實驗值對比。冷氣量定義如下

(3)

式中:m為質量流量;μ為動力黏性系數;b為輪緣端壁面半徑。

圖2 Cw=986時封嚴效率沿徑向分布的計算值與實驗值對比

由圖2可知,采用附加變量法時,動靜葉交界面位置的選取對輪緣密封封嚴效率計算有顯著影響。動靜葉交界面位于密封進口下游時,如模型A、B,封嚴效率計算值較實驗值高,表明該模型低估了主流入侵的程度,其中非定常模型B優于定常模型A,但模型B計算結果仍低估了主流入侵的程度。當動靜葉交界面位于密封進口上游時,模型C、D的封嚴效率計算值與實驗值吻合得更好,模型D與實驗值吻合最好。模型C在r/b<0.9(r為輪盤半徑)的低位區域的計算值與實驗值有些偏差,但總體趨勢與實驗值保持一致,在入侵主流影響明顯的區域r/b>0.9的計算值仍與實驗值吻合。

(a)模型A (b)模型B (c)模型C (d)模型D

圖3為Cw=986、轉速為2000r/min時,4種計算模型獲得的周期面封嚴效率云圖。當動靜葉交界面位于密封進口下游時,從模型A的計算結果可以看出,盤腔內部區域的封嚴效率基本為1,說明此計算方法并沒有準確地捕捉到主流入侵現象,而非定常計算模型B的計算結果對主流入侵現象有所反映,但未能反映盤腔內所有主流入侵情況;當動靜葉交界面位于密封進口上游時,從模型C、D的計算結果均可以清楚地顯示主流侵入盤腔的現象。在靜盤面附近,封嚴效率較低,在動盤面,封嚴效率較高,同一半徑處沿著軸向從靜盤到動盤,封嚴效率存在從低到高的梯度。這是因為,盤腔中冷氣流受轉盤旋轉引起的“泵效應”的作用沿著動盤向上流動,靜盤中主流入侵氣體在滲入靜盤邊界層后向下流動,流動過程中會有部分流體發生橫向移動,通過盤內的旋流核心進入動盤邊界層內,導致動盤區域封嚴效率較高,而靜盤區域封嚴效率較低,由此產生軸向濃度梯度。采用附加變量計算方法時,將動靜葉交界面設置在密封進口上游的模型C、D,均可有效捕獲到主流入侵現象。2種方法的主要區別是,在低于半徑位置處靜盤面附近區域,模型D捕捉入侵現象的能力更強,在盤腔內大多數區域兩者計算結果類似。相對于模型D,模型C可以大大縮短計算時間。因此,本文采用模型C研究密封齒結構對徑向輪緣密封封嚴性能的影響。

壓力系數定義為

(4)

圖4為采用模型C時不同冷氣量下輪緣密封的封嚴效率的實驗值與計算值比較。實驗及計算中的封嚴效率基準點為r/b=0.958。圖5為采用模型C時主流通道處周向壓力分布的實驗值與計算值的比較。

圖4 采用模型C時不同冷氣量下輪緣密封的封嚴效率的實驗值與計算值比較

圖5 采用模型C時主流通道處周向壓力分布的實驗值與計算值的比較

從圖4和5中可以看出,計算值與實驗值吻合良好,從而驗證了模型C的有效性。

1.3 計算模型

計算模型:軸向和徑向輪緣密封的軸向間隙均為4mm;主流通道高度h=50mm;b=345mm;封嚴效率參考點半徑r0=330mm;輪緣密封軸向間隙Sc,ax=4mm;輪緣密封徑向間隙Sc,rad=2～6 mm;輪緣密封軸向齒厚度H1=5mm;輪緣密封徑向內齒長度L=0～10mm;輪緣密封徑向內齒厚度H2=5mm;輪緣密封徑向內齒傾斜角度α=-10°,0°,10°;輪緣密封軸向間隙比Gc,ax=Sc,ax/b=0.011 6;盤腔間隙比G=S/b=0.087。表1為徑向輪緣密封基準(baseline)及結構參數。圖6為軸向及徑向輪緣密封的幾何結構,其中濃度效率參考點r0/b=0.956。

表1 徑向輪緣密封基準及結構參數

(a)軸向密封 (b)徑向密封

圖7為徑向輪緣密封基準計算網格。采用NUMECA-AUTOGRID生成多塊結構化網格,其中主流透平級流道采用H-O-H拓撲結構化網格,葉片表面采用O型拓撲貼體網格,葉片進出口延伸處及盤腔結構處采用H型結構化網格。生成網格時主流通道與盤腔內密封間隙處的網格節點完全匹配,以保證求解精度。主流通道中靜葉沿周向布置了49個節點,沿軸向布置了62個節點;動葉片沿周向布置了47個節點,沿軸向布置了83個節點;主流通道沿葉高布置了47個節點,在密封間隙處布置了30個節點。計算網格節點總數為120萬,滿足網格無關性要求[9],網格最小正交角度為37°時質量良好。

圖7 徑向輪緣密封基準計算網格

計算工質采用空氣,主流進口總壓給定,總壓pinlet=113484Pa,總溫為320K;主流出口平均靜壓給定,平均靜壓pout=101 325Pa;冷卻氣流進口質量流量給定,m=1.47～11.73g/s,冷卻氣流進口總溫給定,為300K,轉速為3600r/min。固壁面為無滑移絕熱壁面,計算中動靜葉交接面以混合平面法(stage)連接。當連續方程、動量方程、能量方程、湍流方程的均方根殘差小于10-6、觀測點效率值保持不變時,認為計算收斂。

2 結果分析

2.1 軸向和徑向輪緣密封封嚴效率

圖8為Cw=1 853、轉速為3600r/min時,軸向和徑向輪緣密封盤腔內壓力分布云圖。受旋轉離心力的作用,盤腔內氣流沿徑向存在明顯的壓力梯度,半徑越大,壓力越高,而沿軸向,壓力場分布較為均勻。對比軸向和徑向輪緣密封結構發現,同一半徑下盤腔內壓力分布基本相同,表明該工況下軸向和徑向輪緣密封的盤腔內壓力分布相似。

(a)軸向輪緣密封 (b)徑向輪緣密封

圖9為3種冷氣量下軸向和徑向輪緣密封的封嚴效率。當Cw=243時,軸向輪緣密封的封嚴效率為0.04,徑向輪緣密封的封嚴效率為0.34。當Cw=1 853時,軸向輪緣密封的封嚴效率為0.32,徑向輪緣密封的封嚴效率達到0.9,已處于基本封嚴狀態,表明徑向輪緣密封的封嚴性能優于軸向輪緣密封。

圖9 3種冷氣量下軸向和徑向輪緣密封的封嚴效率

圖10為軸向和徑向輪緣密封的盤腔內子午面流場形態。在盤腔內,冷氣流沿動盤向上流動,主流入侵氣體在密封間隙與冷卻氣體混合后沿動靜盤向下運動。對于軸向輪緣密封,主流入侵氣體通過軸向間隙后受到的阻礙較小,可以較為順暢地沿靜盤向下運動,盤腔無法得到有效保護。對于徑向輪緣密封,由于內齒結構會提前迫使沿動盤上升的冷卻氣流向靜盤一側運動,使得冷卻氣流與入侵氣流的摻混力度增強,摻混下密封間隙狹縫處會形成渦系結構,這些渦系結構又會增大主流氣體侵入盤腔時的流動阻力,從而達到了減少主流入侵的目的。

(a)軸向輪緣密封 (b) 徑向輪緣密封

圖11為Cw=243,1 853時軸向和徑向輪緣密封盤腔內封嚴效率分布云圖。當Cw=243時,冷氣量較少,2種密封結構下盤腔內均發生較為嚴重的主流入侵現象。如圖11a所示,對于軸向輪緣密封,盤腔內入侵氣體摻混;對于徑向輪緣密封,主流入侵主要集中在由內齒和外齒構成的狹縫區域,該區域封嚴效率較低。在內齒以下的盤內區域,相對于軸向輪緣密封,徑向輪緣密封的封嚴效率從0.1左右提高到0.4左右。當Cw=1 853時,對于軸向輪緣密封,盤腔內入侵現象明顯,與Cw=243相比,盤腔內封嚴效率大幅度提高。對于徑向輪緣密封,當Cw由243增加到1 853時,由于冷氣的吹掃作用使得停滯在內外齒之間狹縫區域的主流流體減少,密封間隙處的封嚴效率提高,同時在該冷氣流量下,內齒結構以下的盤腔內的封嚴效率在0.8以上,處于一個良好的封嚴狀態,可見封嚴效率得到提升。

(a)Cw=243

(b)Cw=1 853

2.2 幾何結構對封嚴效率的影響

圖12為3種冷氣量、不同L下的徑向輪緣密封的封嚴效率比較。從圖中可以看出:Cw=243時,L從5mm增加到10mm,徑向輪緣密封的封嚴效率從0.12提高到0.59;Cw=1 853時,L從5mm增加到10mm,封嚴效率從0.81提高到0.92。這表明,在冷氣量相同的情況下,L越大,密封封嚴性能越好。

圖12 3種冷氣量、不同L下的徑向輪緣密封的封嚴效率比較

圖13為3種冷氣量、不同Sc,rad下的徑向輪緣密封的封嚴效率比較。Cw=243時,對比結構3、4發現,Sc,rad從2mm增加到6 mm,徑向輪緣密封的封嚴效率從0.76降低到0.18;Cw=1 853時,2種結構的封嚴效率均大幅提高,結構3的封嚴效率略高于結構4。這表明,徑向間隙越小,密封封嚴性能越好。

圖13 3種冷氣量、不同Sc,rad下的徑向輪緣密封的封嚴效率比較

圖14 3種冷氣量、不同α下的徑向密封的封嚴效率比較

圖14為3種冷氣量、不同α下的徑向密封的封嚴效率比較。Cw=243時,對比結構5、6發現,α從-10°變化到10°,封嚴效率從0.24增加到0.49。L一定時,內齒向下傾斜結構的徑向輪緣密封的封嚴效率較高。這是因為,L一定,當密封齒向下傾斜時,徑向密封在靠近軸向間隙處的轉折通道口位置的有效間隙S1減小,如圖15所示,因此入侵主流進入盤腔的流動阻力增大,封嚴效率提升;同理,當密封齒向上傾斜時,S1增大,封嚴效率降低。

圖15 有效間隙示意圖

圖16為3種冷氣量工況下且存在迎風齒結構時輪緣密封的封嚴效率的變化。結構7是基于密封基準結構且在內齒端部增加了迎風齒,其余幾何參數均保持不變。增加迎風齒后封嚴效率提高,Cw=243時,封嚴效率從基準結構的0.34提高到0.6;Cw=463時,封嚴效率從基準結構的0.71提高到0.78。因此,實際工程中,在密封間隙等參數確定后,可以考慮增加迎風齒結構來進一步提高輪緣密封的封嚴性能。

圖16 3種冷氣量工況下且存在迎風齒結構時輪緣密封的封嚴效率的變化

圖17 3種冷氣量工況下不同徑向內齒安裝位置對徑向密封封嚴效率的影響

圖17為3種冷氣量工況下不同徑向內齒安裝位置對封嚴性能的影響。結構8中徑向內齒安裝在靜盤一側,基準結構中徑向內齒安裝在動盤一側,其余幾何參數均保持不變。Cw=243時,徑向輪緣密封基準結構的封嚴效率比結構8高約0.12;Cw=463時,徑向輪緣密封基準結構的封嚴效率比結構8高約0.13。這表明,徑向內齒安裝在動盤一側,有助于提高密封的封嚴性能。這是因為,入侵氣體從主流進入盤腔時軸向速度仍然很高,若將徑向內齒安裝在動盤,則入侵主流在沖擊外密封齒凸臺后反向流動,并沿著由內外密封齒形成的間隙向盤內流動,流動阻力較大,然而若將徑向內齒安裝在靜盤,則入侵主流進入內外密封齒形成的間隙后向盤腔內流動,流動阻力較小。因此,動盤側安裝內齒,徑向輪緣密封具有較高的封嚴性能。

3 結 論

本文采用添加附加變量的方法,通過數值方法求解了三維RANS方程組和SST湍流模型,分析了9種不同徑向輪緣密封結構在3種冷氣量工況下的封嚴效率,得出如下結論。

(1)采用附件變量法研究主流侵入時,動靜葉交界面的位置對計算結果影響很大,動靜葉交界面位于密封進口上游時,計算值與實驗值吻合良好且可對輪緣密封的封嚴性能做出有效預估,而當動靜葉交接面位于密封進口下游時,計算值與實驗值偏差較大,無法對輪緣密封的封嚴性能做出可靠預測。

(2)相同冷氣量工況下,徑向輪緣密封的封嚴效率隨著L的增加而升高,隨著Sc,rad的減小而升高。當徑向內齒向下傾斜時,有效間隙減小,徑向密封的封嚴效率提升;當徑向內齒向上傾斜時,徑向密封的封嚴效率下降。徑向內齒安裝位置會影響密封的封嚴效率,對比徑向內齒安裝位置時發現,將徑向內齒安裝在動盤側,密封的封嚴效率較高。在確定了軸向及徑向間隙等幾何參數的情況下,采用迎風齒結構可以進一步提高徑向輪緣密封的封嚴性能。

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(編輯 苗凌)

NumericalInvestigationsforSealingEfficiencyoftheTurbineRimRadialSeal

GAO Qing,LI Jun

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The sealing efficiency of turbine rim radial seal is numerically investigated by 3-D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations and SST turbulence model, and the additional passive tracer method is used to simulate the mainstream ingestion phenomenon. The rim seal experimented in Bath university is selected as the calculation objective to verify the numerical accuracy, and the predicted distribution of pressure in blade passage and sealing efficiency of the rim seal at different cooling flow rates well agree with the experimental data. The influence of geometry parameter on sealing effectiveness of turbine radial rim seal is numerically investigated. The numerical results show that sealing efficiency of the rim seal increases with increasing inner fin length; the sealing efficiency of rim seal increases with decreasing radial clearance; the rim seal set with inner fin set on rotor disk has the higher efficiency than that on stator disk. With the same axial and radial parameters, upwind fin structure can improve the sealing performance of the radial rim seal.

turbine; rim seal; sealing efficiency; numerical simulation

2013-12-15。

高慶(1988-),男,博士生;李軍(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51376144);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目。

時間:2014-06-18

10.7652/xjtuxb201409010

TK474.7

:A

:0253-987X(2014)09-0055-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140618.1138.007.html