梳齒汽封泄漏特性實驗研究

關鍵詞：梳齒汽封；泄漏性能；背壓；流場特性

汽封由于可減少動靜部件之間的間隙，減少漏氣并提高機組運行效率，被廣泛應用于汽輪機、航空發動機及燃氣輪機等透平機械中［1?3］。在傳統迷宮汽封［4］基礎上，國內外學者先后提出了蜂窩［5］、刷式［6］、新型結構［7］等汽封型式，并通過大量實驗與仿真研究密封泄漏特性，但如何有效提高汽封泄漏性能仍是一個難點。

汽封型式對汽封的泄漏特性起關鍵作用。Childs等［8］通過實驗測試了螺旋齒汽封不同螺旋角度、轉速、壓比及預旋對密封泄漏量的影響，發現隨著螺旋角度增大泄漏量逐漸增加。Zhou等［9］提出了一種新型交錯螺旋齒結構迷宮汽封，通過數值模擬分析了不同密封間隙、壓降、齒數與齒寬等對新型交錯螺旋齒結構汽封泄漏量的影響規律，結果表明密封泄漏量隨著壓降和密封間隙增大而增加，隨著齒數增加而減少，當齒數與密封長度一定時齒寬變大會增加泄漏量，而腔寬增加會減少泄漏量。張萬福等［10］設計了一種新型徑向環形汽封并通過Fluent軟件分析了徑向環形汽封與梳齒汽封在不同間隙與壓比下的泄漏系數，結果表明在同一間隙下徑向環形汽封的泄漏系數比梳齒汽封的降低約20%，且系統穩定性得到了提高。Jia等［11］研究了一種T型迷宮密封并建立了整圓計算模型，計算結果表明：在軸向長度與密封間隙相同時T型迷宮密封泄漏量比直通式迷宮密封的減少約23.6%～25.3%，比交錯式迷宮密封的增加7.4%～8.5%。

結構參數同樣對迷宮汽封泄漏量有著重要影響。Yücel等［12］通過實驗與理論計算方法對階梯式迷宮汽封泄漏量進行了研究，發現密封泄漏量隨著壓差增大而上升，且給出了階梯迷宮汽封中可壓縮性流體流動的連續性方程與周向動量方程。康樂嘉［13］通過建立三維數值模型分析了不同齒形結構對迷宮汽封泄漏量的影響，結果表明：在齒數足夠且密封間隙一定時高低齒汽封比平齒汽封的泄漏量降低約10%，且側齒汽封相較于平齒汽封的密封泄漏量降低約5%。寧哲等［14］建立了迷宮汽封三維數值模型并數值分析了壓比、密封間隙、齒寬與臺階高度對階梯式迷宮汽封的影響，研究發現汽封泄漏量隨壓比、密封間隙增大而增加，且上升速率逐漸降低，齒寬越小泄漏量越低，而臺階高度變化對汽封泄漏量影響較小。

本文基于此建立了梳齒汽封三維數值模型，通過實驗與計算流體力學（CFD）對比的方法分析了在不同背壓閥門開度、進口壓力和轉速下梳齒汽封泄漏量的變化規律。

1實驗裝置與方法

1.1實驗裝置

圖1為梳齒汽封泄漏密封實驗裝置。該裝置主要由梳齒汽封實驗臺、背壓裝置及供氣裝置等組成。梳齒汽封實驗臺主要由滑動軸承、平衡板、氣缸、轉子、聯軸器、增速器及無極變頻電機構成，其中，空載下電機轉速最高可達6000r·min?1。空氣壓縮機將空氣增壓存儲至儲氣罐（最大壓力為3MPa），為實驗提供高壓氣體并采用高精度渦街流量傳感計進行測量。此外，為了研究不同背壓對梳齒汽封泄漏性能的影響，在梳齒汽封實驗臺上安裝背壓裝置，通過調節背壓閥門開度來調整背壓，并使用壓力表測量背壓值。

圖2為梳齒汽封二維幾何結構，其中：d為轉子直徑；Cr為密封間隙；H為齒高；t為齒尖寬；w1為齒根寬；w2為腔寬；N為齒數。經壓縮的高壓空氣由氣缸中間進氣，向兩端排出，依次通過梳齒密封、背壓腔、背壓閥門和背壓梳齒密封。其中，梳齒密封段長度為70.5mm，背壓梳齒密封段長度為20mm，具體參數如表1所示。

1.2實驗方法

梳齒汽封泄漏特性實驗主要分為實驗預處理、測試及數據后處理三個階段。開機前，檢查實驗裝置臺是否有異物、油路系統是否正常以及冷卻電機。汽封泄漏測試過程中，測試梳齒汽封在不同轉速、進口壓力與背壓閥門開度下密封泄漏量的變化。其中，背壓閥門開度為0代表閥門全關，背壓閥門開度為1.0代表閥門全開。

表2為汽封泄漏特性的實驗工況。梳齒汽封泄漏特性測試工質為空氣，通過調節進氣口閥門控制進口壓力Pin，其范圍為0.25～0.6MPa。由于梳齒密封段出口為背壓腔室，通過調節背壓閥門控制背壓P，泄漏量一部分通過背壓閥門流向大氣，一部分流經背壓梳齒密封件。電機轉速ω通過變頻器調節，范圍為0～1500r·min?1。

2數值方法

使用前處理器GAMBIT建立梳齒汽封三維模型，為提高精度，采用結構化網格。為節約計算資源，對梳齒汽封件進行簡化，模擬單側流體流動，出口段為背壓，計算域如圖3所示。圖4給出了梳齒汽封件的網格分布示意圖。

表3為數值計算時采用的求解方法。基于k?ε兩方程湍流模型和三維RANS方程求解方法，采用CFD方法分析不同進出口壓力、轉速對梳齒汽封泄漏特性的影響，并與相同工況下的實驗結果進行對比。計算時工作介質為空氣；固壁面視為絕熱、光滑壁面，同時近壁面處通過壁面函數法進行處理；采用高精度離散模型。當動量方程與連續性方程的殘差數量級均小于10?6，且進、出口流量差小于0.1%時可認為計算收斂。

2.1網格無關性驗證

在轉速為500r·min?1、背壓閥門開度為1.0、進口壓力為0.25MPa工況下，選擇4種網格數，分別為150萬、215萬、285萬和365萬，通過比較梳齒汽封的泄漏量進行網格無關性驗證，計算結果如圖5所示。

當網格數由150萬增加至365萬時，密封泄漏量逐漸變大且增長速率驟降。同時，當網格數增加而密封泄漏量偏差小于0.5%并趨于穩定時，則視為網格無關。

2.2數值計算方法有效性驗證

為了驗證實驗方法的可行性，測試了在轉速為500r·min?1、背壓閥門開度為1.0工況下不同進口壓力對密封泄漏量的影響，并將實驗值與CFD模擬值進行對比，結果如圖6所示。

由圖6可知，梳齒汽封泄漏量的實驗值與模擬值均隨進口壓力變大而增加，且整體變化趨勢近似，兩者相對誤差均小于5%，具有較高的吻合度，從而驗證了該方法的可行性。

3結果分析

3.1閥門開度對背壓的影響

為了解背壓腔室內背壓的變化規律，通過調節背壓閥門開度，測試了不同轉速、背壓閥門開度下進口壓力對背壓的影響，結果如圖7所示。

由圖7（a）可知，進口壓力對背壓起關鍵作用，背壓隨著進口壓力增加而變大，且上升速率逐漸放緩。背壓閥門開度對背壓有顯著影響，在同一進口壓力與轉速下，背壓閥門開度越大背壓越小。在低進口壓力下，背壓幅值變化隨著閥門開度變化甚微；在高進口壓力下，背壓幅值變化隨著閥門開度變化劇烈。

由圖7（a）～（d）可知，轉速對背壓幅值變化影響較小。在進口壓力與閥門開度一定時，隨著轉速由0r·min?1上升至1500r·min?1，背壓幅值緩慢增大且增加速率越來越小。

3.2進口壓力對汽封流場特性的影響

為了解梳齒汽封腔室內部流場變化情況，通過CFD方法分析了在轉速為500r·min?1、背壓閥門開度為0.5工況下不同進口壓力對汽封腔室壓力場的影響，結果如圖8所示。

由圖8可知，在不同進口壓力下汽封各級腔室內的壓力場變化均不明顯，而在汽封入口段壓降變化劇烈，在腔室四周形成小漩渦（中間壓力低而四周壓力高），這是由于在節流作用下氣體速度驟升而壓力急劇下降；壓力在入口段與出口段變化顯著而中間變化較小，同時腔室內壓力沿軸向逐級遞減；隨著進口壓力增大汽封形成的小漩渦在第一級腔室內逐漸消失，且緩慢向下一級腔室轉移。

3.3進口壓力對汽封泄漏量的影響

為了解梳齒汽封泄漏特性變化規律，通過實驗測試了不同轉速、閥門開度及進口壓力下的梳齒汽封泄漏量，并將實驗值與CFD模擬值進行對比，結果如圖9所示。

由圖9中的實驗值可知，梳齒汽封泄漏量隨著進口壓力增大而上升，且近似呈線性關系；在同一進口壓力下，轉速與閥門開度對汽封泄漏量影響較小，隨著轉速升高、背壓閥門開度減小，密封泄漏量緩慢減少。由于實驗過程中存在誤差，實驗值略高于模擬值。

由圖9中的模擬值可知，在低進口壓力下，背壓閥門開度對汽封泄漏量的影響甚微；在高進口壓力下，汽封泄漏量隨著背壓閥門開度增大而顯著增加。相較于進口壓力的影響，轉速對汽封泄漏量影響較小，隨著轉速提高，泄漏量緩慢下降且近似保持恒定。模擬值與實驗值整體變化趨勢相同且吻合度較高。

4結論

通過實驗測試了不同背壓閥門開度、轉速及進口壓力對梳齒汽封泄漏量的影響，并與CFD模擬值進行對比，主要結論為：

（1）梳齒汽封泄漏量的實驗值與模擬值整體變化趨勢相同且吻合度較高，兩者相對誤差較小。

（2）同一背壓閥門開度下，梳齒汽封泄漏量隨著進口壓力增大而增加，近似呈線性關系；而隨著轉速升高，泄漏量緩慢下降且近似保持恒定。

（3）在進口壓力和轉速一定時，汽封泄漏量隨著背壓開度的變大而增加，且在背壓閥門開度為1.0時，汽封泄漏量達到峰值。