汽轮机密封内流动特性分析及增效技术研究

摘要

随着汽轮机组向高参数、大容量方向发展，密封的重要性得到凸显，密封性能直接影响机组的经济性和安全性，高效密封成为大型机组继续发展所必须解决的难题之一。因此，对汽轮机密封进行研究，掌握工作机理、研究新型密封结构具有重要的理论意义和工程价值。本文从轴端密封和叶尖密封两方面展开研究工作。
　　本文首先建立迷宫密封三维CFD分析模型，对流场特性进行研究。结果表明，密封通过密封齿的节流和腔内能量耗散实现流体封严，泄漏量随着压比和密封间隙的增加而增大。螺旋形流动导致周向压力分布不均是产生汽（气）流力的诱因，随着压比和预旋速度的增加，交叉刚度增大，容易诱发转子的低频涡动。
　　在交错齿密封的基础上提出混合齿密封，并对其性能进行计算和比较。结果表明，混合齿密封的泄漏量比交错齿密封低30％，交叉刚度也低于交错齿密封。对混合齿密封进行结构参数分析，发现存在一个最佳横齿高度使性能最优;横齿间隙越小越好，但设计时需要注意横齿间隙应该大于竖齿间隙，防止两道横齿之间发生碰磨。
　　为了更好地分析叶尖密封流动特性，本文将叶尖密封和动叶上下游流场耦合，建立分层单控制体模型，准确预测出叶尖区域欠转流的存在。为了分析密封结构参数的影响，在分层单控制体模型的基础上提出混合单控制体模型和混合双控制体模型，对比这三种模型的泄漏量计算结果，最大误差为7.1％。利用混合双控制体模型对密封结构参数进行分析，发现泄漏量随着叶尖间隙的增大而增长，密封腔深度和宽度对泄漏量的影响不显著。
　　提出叶尖气膜复合密封，对其增效能力进行计算和比较。结果表明压降主要发生在气膜密封前后，迷宫密封齿的节流降压作用失效。气膜复合密封增效显著，泄漏量仅为传统迷宫密封的0.75％，效率从原来的91.52％提高到93.73％。对于气膜复合密封，随着气膜厚度的增加，泄漏量增加，效率降低。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 密封增效技术发展历程及趋势

1．2．2 叶尖泄漏抑制技术发展现状

1．2．3 密封特性试验研究现状

1．2．4 密封特性数值研究现状

1．3 本文主要研究内容

2．1 引言

2．2 迷宫密封介绍

2．3 密封动力特性分析模型及求解

2．3．1 密封动力特性模型

2．3．2 密封动力特性求解技术

2．3．3 密封动力特性系数求解

2．4 密封系统稳定性评价指标

2．4．1 涡动系数

2．4．2 有效阻尼

2．5 迷宫密封CFD分析模型及边界条件

2．6 迷宫密封流场分析及工作原理介绍

2．6．1 压力场分析

2．6．2 速度场分析

2．6．3 迷宫密封工作原理

2．7 迷宫密封流体激振机理分析

2．8 工作参数对泄漏量影响

2．8．1 压比对泄漏量影响

2．8．2 转速对泄漏量影响

2．8．3 间隙对泄漏量影响

2．9 工作参数对动力特性影响

2．9．1 交叉刚度分析

2．9．2 直接阻尼分析

2．9．3 涡动系数分析

2．9．4 有效阻尼分析

2．10 迷宫密封试验研究

2．10．1 迷宫密封泄漏量试验结果

2．10．2 迷宫密封动力特性系数试验结果

2．11 本章小结

第三章 新型混合齿密封流场计算和增效性能研究

3．1 引言

3．2 混合齿密封增效性能初步分析与比较

3．3 混合齿密封CFD计算

3．3．1 数值方法验证

3．3．2 CFD模型及计算条件

3．3．3 网格无关性测试

3．4 密封齿变形分析

3．5 混合齿密封流场分析与比较

3．6 混合齿密封泄漏量分析与比较

3．7 混合齿密封动力特性分析与比较

3．8 混合齿密封结构优化

3．8．1 横齿高度对密封性能的影响

3．8．2 横齿间隙对密封性能的影响

3．9 本章小结

第四章 基于控制体模型的叶尖密封流动特性研究

4．2．1 模型介绍及适用条件

4．2．2 模型优点

4．3 模型分析

4．3．1 泄漏系数

4．3．2 叶尖区域流场分析

4．3．3 动叶片上、下游流场分析

4．3．4 流场求解

4．4 模型改进

4．4．1 混合单控制体模型

4．4．2 混合双控制体模型

4．5 模型计算结果分析与比较

4．5．1 分层单控制体模型计算流场分析

4．5．2 三种模型计算结果比较

4．5．3 结构参数对泄漏系数影响分析

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 气膜密封基本理论

5．2．1 流体动压效应

5．2．2 气膜密封工作原理

5．3 叶尖气膜复合密封

5．3．1 叶尖气膜复合密封结构设计

5．3．2 叶尖气膜复合密封工作过程分析

5．4 气膜复合密封性能初步分析与比较

5．4．1 气膜密封泄漏量计算

5．4．2 气膜复合密封泄漏性能比较

5．5 气膜复合密封CFD分析与比较

5．5．1 CFD分析模型及边界条件

5．5．2 气膜复合密封与迷宫密封性能比较

5．5．3 气膜厚度对气膜复合密封性能影响

5．6 本章小结

6．1 本文取得的研究成果

6．2 本文主要创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

作者在读期间发表的学术论文及科研成果