汽轮机叶顶汽封泄漏涡对汽流激振力的影响_曹丽华.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 曹丽华 女教授 年生 汽轮机叶顶汽封泄漏涡对汽流激振力的影响 曹丽华 孟宾 李盼 东北电力大学 能源与动力工程学院吉林 吉林 摘要汽轮机叶顶间隙汽流激振力严重影响转子的稳定运行采用 模型基于有限体积法对带有叶顶 汽封的汽轮机高压缸第一压力级整周模型进行数值计算着重分析了不同条件下叶顶汽封内泄漏涡的流动特性及其对汽 流激振力的影响结果表明泄漏流在汽封出口腔室内部形成了腔室涡和回流涡回流涡的旋转方向与腔室涡相反随着 间隙的变大汽封内部腔室涡的涡线由完整的涡线变为扭曲的涡线大间隙条件下汽封内部腔室涡发生变化上部小间 隙处涡心向下游迁移下部大间隙处涡心向上游迁移涡心位置的变化使得叶顶围带受到的汽流激振力值增大角 度增大 关键词汽轮机叶顶汽封泄漏流涡心位置激振力 中图分类号 文献标志码 汽轮机作为大型旋转设备动叶与汽缸之间存在 一定间隙由于动叶前后存在压差一部分做功蒸汽 会通过叶顶间隙流到级后形成泄漏流为了降低泄 漏流的损失在叶顶间隙处加装汽封汽轮机在运行中 由于转子受热不均或安装存在误差转子位置发生移 动导致叶顶汽封内部的周向距离分布不均汽流流过 不均的叶顶汽封时流体的湍动和汽封内周向压力分布 不均导致转子受力不平衡诱发汽流激振随着火力 发电机组不断的向大容量高参数方向发展受力不均 诱导汽流激振力问题越发突出因此研究汽封内流 场变化及汽流激振力对汽轮机的安全稳定运行是十分 必要的 二十 世 纪 五 六 十 年 代国 外 学 者 和 提出间隙激振的基本理论给出间隙激振的 计算公式同时还指出其中的效率系数的取值范围 及转子涡动的方向二十世纪九十年代柴山等以 流体动力学为基础用动量定理的方法推导出来汽轮 机直叶片短扭叶片长扭叶片间隙激振力的计算公 式这种理论推导方法由于经验参数的存在使结果 存在很大的误差随着计算流体力学的发展数值模 拟方法在汽轮机的流动分析中得到了广泛应用张炳 文等利用 软件对汽轮机低压缸末级动叶顶部 进行数值模拟分析了叶顶间隙的流动特性曹丽华 等 采用数值模拟方法分析了不同间隙下叶顶汽 封内部泄漏流的泄漏量能量损失出口腔室泄漏涡及 泄漏流对主流的掺混影响但上述研究未对汽轮机叶 ChaoXing 顶汽封中涡心位置的变化进行研究而涡心位置发生 变化会引起汽封腔室内部的压力分布不均进而导致 产生切向汽流激振力 此外陈尧兴等用转子多频椭圆涡动模型和动 网格技术的 方程的求解方法研究了动静叶干 涉作用以及级间补汽导致的非均匀进汽温度和压力条 件下叶顶密封汽流激振的转子动力特性李志刚等 研究了进口防预板对孔型密封非定常汽流激振力和转 子特性影响屈焕成等基于 软件对带 有进汽室和加强筋的汽轮机调节级进行了全周的三维 非定常黏性流场的数值模拟分析了由汽轮机调节级 非定常效应产生的汽流激振问题瓮雷等通过建立 汽轮机汽流激振力作用下的裂纹转子轴承系统的动 力模型分析了裂纹转子系统的分岔与混沌特性文 安健等以压气机为例研究了不同叶顶间隙下非定 常汽流激振力以及静子叶片的振动响应郭旭民等 利用 软件分析了旋转的叶片与机匣碰摩时机 匣与叶片的振动情况对于汽轮机来说当转子位置 产生偏移时无论对于隔板汽封还是叶顶汽封周向间 隙分布不均都会导致激振力的出现曹丽华等 对于隔板汽封采用动网格技术和正交试验方法进行分 析得到了隔板汽封内部流场汽流激振力的变化规 律但上述文献对偏心条件下汽轮机叶顶汽封内的流 动特性以及叶顶泄漏流对汽流激振力的影响研究还 不够深入与细致 本文利用数值模拟方法对汽轮机高压级叶顶汽封 内的泄漏流动开展研究分析了不同叶顶间隙下汽封 内部流场的变化特性同时还研究了不同条件下汽封 内部涡心位置与激振力的变化规律以及涡心位置变 化对激振力的影响为进一步分析泄漏涡与激振力的 关系奠定了基础 计算模型与数值方法 计算模型和网格 考虑到动叶叶顶汽封周向间隙非均匀特性本文 以某 汽轮机高压缸第一级整周叶片为研究 对象动叶顶部的汽封采用高低齿迷宫汽封图为 整周的计算模型及汽封网格示意图表为叶顶汽 封与动静叶片的几何参数为了使划分的网格精度 更高网格的划分采用分块划分的方法其中静叶与 动叶利用 划分网格网格数分别为万 和万动叶顶部汽封利用 划分网格网格 数万动静叶轴向间隙入口段出口段及动叶出 口的 延 伸 段 利 用 划 分 网 格网 格 总 数 为 万 图整周的计算模型与汽封网格示意图 表叶顶汽封与动静叶片的几何参数 名称数值 静叶高度 动叶高度 轮毂半径 动叶片数 静叶数 转速 名称数值 高齿高度 低齿高度 动叶叶型安装角 动叶轴向弦长 动叶展弦比 动叶节距 数值方法与边界条件 文中利用有限体积法求解 方程湍流模型采用 模型离散格式采用二阶迎风格式收敛残差限 为 数量级计算工质选取水蒸汽 采用压力进出口 边界条件根据汽轮机 工况下的参数进行设定进 口总压 出口静压 静叶叶片和汽封 的顶部设置为绝热无滑移固体壁面动叶叶片轮毂围带 面设置为旋转面转速 所有交界面处理采 用冻结转子法流域设置为旋转周期面 网格无关性验证 为了使数值模拟结果更加准确进行了网格无关 性验证以叶顶汽封泄漏量作为衡量参数对不同 网格数下的整周模型进行数值模拟计算得到网格数 与泄漏量的关系如表所示 表网格数与泄漏量的关系 方案网格万泄漏量 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 由表可知当计算网格大于 万时随着网 格数的不断增加叶顶汽封泄漏量的变化不大说明此 时随着网格数的增加对计算结果基本上不产生影响 考虑到数值计算的时间最终选取的静叶动叶整周模 型的网格总数为 万 湍流模型的验证 湍流模型选取的正确与否直接影响到计算结果 的准确性为了验证所选取湍流模型的正确性分别 选取标准 模型 模型和 模型进行 数值计算以动叶出口的总压损失系数为参考指标将 数值计算结果与实验结果进行比较总压损失系数的 表达式为 式中 为动叶入口总压 为流场内部总压 动叶出口总压 由图可知沿叶高方向 模型的计算结 果与实验结果最为接近最大偏差小于因此本 文计算中湍流模型选取 模型是正确的保证了 计算结果的准确性 图动叶出口总压损失系数沿叶高分布 计算结果与分析 叶顶汽封内的流场特性 图为未偏心工况下不同间隙时汽封内泄漏流压 力分布与流线图由图可知泄漏流由叶片压力面 经叶顶汽封流向吸力面的过程中分为两部分 流经 汽封齿下的主泄漏流 汽封各个腔室内形成的腔室 涡腔室涡是由于泄漏流在腔室的扩压和与腔室的壁 面及汽封齿的碰撞而形成的如图 所示由于流经 汽封齿下的主泄漏流速度高导致汽封上部分各腔室 内的腔室涡为顺时针旋涡汽封下部分各腔室内的腔 室涡都为逆时针旋涡在汽封出口腔室内部形成了两 个涡腔室涡和回流涡回流涡是由于汽封出口腔室压 力较小主流流入对泄漏流流出产生阻碍造成的回 流涡的旋转方向与腔室涡是相反的观察图和 图 可知随着叶顶汽封间隙不断增大汽封齿节流 作用逐渐减弱入口腔室内的泄漏涡由完整的腔室涡 变成了扭曲的流线流入下一个腔室这是由于随着汽 封间隙不断的增大汽封内主泄漏流泄漏量变大导致 进入汽封入口腔室的压力变小形成入口腔室涡的切 向力不足因此在汽封入口腔室不能够形成完整的腔 室涡 图为叶顶间隙 时偏心叶顶汽封内不同位 置压力分布和流线图本文设置的偏心是向正上方图 中方向偏心观察图 可知未发生偏心时叶顶 汽封腔室内的涡动规律相同各腔室涡稳定耗散汽封内 的周向压力分布均匀叶顶汽封内部没有激振力产生 观察图和图 可知当存在有偏心时截面和 截面两处腔室内的漩涡强度及影响范围有明显的不 同而截面和截面腔室涡动基本一致因此转 子偏心主要影响其同方向上汽封腔室内的涡动特性使 两处腔室涡的能量耗散程度变化这也导致了两处腔室 内的压力有明显的强弱之别此外当偏心为 时同轴向位置的腔室内由偏心引起的腔室压力变化平 均可达 当偏心为 时腔室内压力变化 平均可达 可见随着偏心距的增加汽封腔 室内压力的变化增加汽封腔室内周向压力分布不均 是诱发产生激振力的原因之一 图不同间隙下泄漏流压力分布与流线 第期曹丽华等汽轮机叶顶汽封泄漏涡对汽流激振力的影响 ChaoXing 图不同偏心下泄漏流压力分布与流线 大间隙偏心条件下泄漏涡心位置的变化 叶顶汽封的间隙如占叶高的 以上即属于大 间隙汽封为研究大间隙下汽封腔室内的涡动变化规 律取汽封间隙为 进行计算分析图为汽封 内选取的泄漏涡位置图所选取的泄漏涡位于汽封出 口腔室内号涡为汽封上部分泄漏涡号涡为汽封 下部分泄漏涡图 图分别表示为号涡和 号涡涡心位置在汽封内的变化 图选取出口涡位置图 图大间隙下汽封腔室内涡心位置的变化 为了更加清晰的显示出来汽封内涡心位置的变化 选取汽封出口腔室顶点作为坐标原点并建立坐标系如 图所示由图 可知未偏心条件下汽封中号 涡涡心的位置与轴的角度为 涡心到原点 的距离为 随着偏心距不断增大叶顶汽封间隙 上部分间隙在不断变小流经汽封上部分的主泄漏流减 少对出口腔室号泄漏涡排挤作用减弱导致出口腔室 号泄漏涡的位置不断下移当偏心距达到为 时与轴的角度为 角度变化率为同时涡心 到原点的距离变为 距离的增长率为由图 可知随着偏心距不断变大汽封下部分间隙在不 断的变大汽封下部分的主泄漏流增多导致泄漏流对汽 封腔室涡排挤作用增强汽封内的涡心与轴的夹角由 未偏心时的不断增大到 角度变化率为涡 心到原点的距离由 变化为 距离增长率 为所以大间隙下主泄漏流对泄漏涡的排挤作用 是引起汽封涡心位置变化的主要原因随着偏心的增 加上部间隙变小泄漏流排挤作用减弱上部腔室内的 涡心下移并逐渐向出口壁面靠近下部腔室内间隙变 大泄漏流排挤作用增强涡心上移并逐渐向腔室中心 靠近同时由于腔室内泄漏涡从间隙泄漏流处获得能 量因此涡动的变化也影响泄漏流的周向速度随着间 隙变大涡强度增加泄漏流的周向速度也有所增加导 致周向压力不均 不同间隙下叶顶围带的受力分析 由于转子的偏心方向是沿轴的正方向汽封上部 分间隙小所受的径向力大于下部分间隙大所受的径向 力因此径向力的合力沿轴负方向转子的旋转方向 为逆时针旋转汽封围带面与泄漏流之间相互作用产 生的切向力且力的方向与旋转方向相反因此切向力 的值都为正值沿轴的正方向将汽封围带受到的 径向力与切向力通过式得到汽流激振力 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 图叶顶围带受力情况 槡 式中 为径向力 为切向力 汽封间隙为 和 时随着偏心距发 生变化腔室内泄漏涡涡心位置和影响范围的变化使 汽封上下部分的压力差改变直接导致径向力变化汽 封上半部分的切向力大于下半部分的切向力且偏心 越大腔室涡涡心位置变化率变化越大汽封周向压力 的分布越不均匀导致产生的径向力越大见图 此外当发生偏心时在泄漏涡的诱导下小间隙处的 腔室中泄漏流的周向速度变小大间隙处的腔室中泄 漏流的周向速度变大从而诱使切向力变化且偏心距 越大涡系诱发产生的切向力越大因此汽封受到激 振力的大小随着偏心距的增大而增大且激振力的 方向随着偏心距不断增大向轴的正方向靠近这 说明存在偏心距的情况下切向力对汽封受到的激振 力影响大根据涡旋原理可知汽流激振力越靠近 轴转子的反向涡旋现象越明显对于大间隙间隙 情况下汽封内部腔室涡运动范围大诱导产 生汽流激振力变化大当偏心距由 变为 时涡心的位置变化使汽流激振力值增大 角度增大 结论 泄漏流流经叶顶汽封时在汽封内部形成腔室 涡和回流涡随着间隙变大汽封入口腔室涡的涡线 由完整的涡线变为扭曲的涡线 大间隙条件下随着偏心距的增加汽封内部 腔室涡发生变化当偏心矩由变为 后上部 小间隙处的涡心到原点距离的增长率为角度变 化率为下部大间隙处的涡心到原点距离的增长 率为角度变化率为 汽轮机叶顶泄漏涡心位置变化诱导产生的切向力 变化不仅影响汽流激振力大小还改变激振力的方向 大间隙条件下偏心距由 变为 时涡心的 位置变化使汽流激振力增大角度增大 基于上述研究结果可通过改变叶顶汽封出口腔 室的结构限制泄漏涡涡心的变化范围可减小偏心工况 下的切向汽流激振力从而增加汽轮机转子的稳定性 参 考 文 献 柴山张耀明曲庆文等汽轮机间隙气流激振力分析 中国工程科学 张炳文李天巍李勇汽轮机低压缸末级叶顶间隙泄漏 流动的数值研究 东北电力大学学报 曹丽华王佳欣李盼等汽轮机叶顶间隙泄漏流结构及 高损失区分布研究 中国电机工程学报 曹丽华王佳欣李盼等汽轮机高压级叶顶间隙泄漏流的 掺混作用分析 化工进展 第期曹丽华等汽轮机叶顶汽封泄漏涡对汽流激振力的影响 ChaoXing 曹丽华贾彦铭李盼等汽轮机高低齿叶顶汽封泄漏流 动的数值分析 浙江大学学报工学版 曹丽华李盼胡鹏飞等汽轮机叶顶间隙汽封内泄漏流 动的数值研究 润滑与密封 陈尧兴李志刚李军非均匀进汽时迷宫密封汽流激振动力 特性的研究 西安交通大学学报 李志刚李军丰镇平进口防旋板对孔型密封非定常气流激 振特性的影响 西安交通大学学报 屈焕成张荻谢永慧等汽轮机调节级非定常流动的数 值模拟及汽流激振力研究 西安交通大学学报 瓮雷杨自春曹跃云汽轮机非线性间隙气流激振力作 用下含裂纹转子的振动特性研究 振动与冲击 文安健罗晓天马威等叶顶间隙对非定常激振力及下 游静子振动影响 推进技术 郭旭民孙祺马辉等旋转叶片柔性机匣碰摩振动响 应分析 振动与冲击 曹丽华李超李盼等偏心对汽轮机隔板汽封泄漏流动 特性的影响 润滑与密封 曹丽华司和勇李盼等汽轮机转子动力特性的多因素 分析及稳定性预测 中国电机工程学报