低滞后刷式密封泄漏流动数值模拟及结构优化

低滞后刷式密封泄漏流动数值模拟及结构优化张艾萍;张帅;李相通;张南南【摘要】基于多孔介质模型，采用计算流体力学软件 Fluent 对常规、低滞后矩形及翼型3种刷式密封泄漏流动特性进行数值模拟，结果表明：相比于常规刷式密封，矩形刷式密封迟滞性并没有得到改善，翼型刷式密封在降低迟滞性的同时泄漏量却大大增加。

为改进低滞后刷式密封的性能，提出背板轴向间隙的概念，并研究背板轴向间隙对低滞后刷式密封泄漏流动特性的影响，结果表明：在前后压比一定的条件下，泄漏量与轴向间隙成正比，而泄漏增加量与轴向间隙成反比，且均在轴向间隙较小时变化较明显；相较于矩形刷式密封，轴向间隙密封随着轴向间隙的增大，背板处压力值除在保护高度区域内略有提高外，在其他区域均明显下降，且轴向间隙由0增大到0．1 mm 时的压力下降效果最明显。

%Based on the porous media model,numerical simulation was performed to research the leakage flow charac-teristics of brush seal with three different kinds ofgroove,including conventional brush seal,rectangular brush seal and airfoil brush seal.Results indicate that,compared to conventional brush seal,the rectangular brush seal’s hysteresis is not been improved.The airfoil brush seal’s hysteresis is reduced greatly,but its leakage is increased a lot at the same time. In order to improve the performance of low hysteresis brush seal,the concept of backplane axial clearance was put for-ward,and the influence of backplane axial clearance on the leakage flow characteristics of low hysteresis brush seal was re-searched.The results indicate that,under the certain compression ratio,the leakage flow rate is proportional to the axial clearances,while the leakage increasement is inversely proportional tothe axial clearances,and both of the changes can be found more obviously when the axial clearance is pared with rectangular brush seal,the axial clearance seal’s pressure values at backplate is reduce a lot with the increase of the axial clearance except at protection height region,and the most obvious pressure drop effect can be obtained when the axial clearance is increased from 0 to 0.1 mm.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】6页(P67-72)【关键词】刷式密封;槽型;轴向间隙;迟滞性;泄漏流动特性【作者】张艾萍;张帅;李相通;张南南【作者单位】东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林 132012;东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林 132012;哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司黑龙江哈尔滨 150046;福建大唐国际宁德发电有限责任公司福建宁德 352100【正文语种】中文【中图分类】TK263.2密封是透平机械通流部分中减少工质泄漏的专用部件，刷式密封作为传统迷宫式密封替代者的一种，因为其泄漏量只有传统迷宫式密封的10%～20%[1]，具有优良的转子动力特性[2]，在电站汽轮机动密封系统中逐步得到应用。

随着刷式密封技术的应用与推广，研究人员发现，常规刷式密封在轴偏移或升速时，在气体压力的作用下，刷丝与背板间的摩擦力会使刷环刷丝不能即时跟随，出现刷丝刚化效应；在刷丝被跑道径向推移后，当轴脱离偏移或减速时，由于刷丝与背板间的摩擦力，刷丝发生悬挂，出现刷丝滞后效应[3]。

刚化效应会加速刷丝和跑道的磨损，降低密封的密封性能，缩短使用寿命；滞后效应会加大刷式密封的工质泄漏量。

为保持刷式密封的优异密封性能,延长刷式密封的使用寿命，消除和降低刷丝刚化效应和滞后效应，研究人员设计出了一种低滞后刷式密封。

国内外专家学者对刷式密封的研究从未间断。

以传统的Darcian多孔介质模型为基础，Chew等[4]提出了考虑黏性阻力和惯性阻力的改进Darcian多孔介质模型，并成功用于研究刷式密封的泄漏流动特性。

Dogo等[5]采用改进的Darcian多孔介质模型对单排刷式密封进行了数值计算，得到了2种间隙条件下的泄漏流量与密封间隙内流体流动特性，其计算结果与试验数据也取得了良好的吻合。

李军等人[6]对常规刷式密封泄漏流动特性进行数值研究，计算分析了压比和径向间隙对密封泄漏量和流动形态的影响。

胡丹梅等[7]通过建立常规刷式汽封数值计算模型，分析了刷毛直径等参数对常规刷式汽封性能的影响，并对常规刷式汽封进行了优化设计。

黄阳子和李军[8]对低滞后翼型刷式密封泄漏特性进行数值模拟，指出该种密封在降低迟滞性的同时也增大了泄漏量的缺点。

迟佳栋和王之栋[9]采用多孔介质模型模拟分析了前板结构对低滞后矩形刷式密封泄漏流动特性的影响。

中外学者对于常规刷式密封及低滞后刷式密封进行了大量而深入的分析研究，但是对于常见的低滞后矩形与翼型刷式密封的横向比较研究及低滞后刷式密封的结构优化方面的报道却较少。

本文作者应用计算流体力学软件Fluent，对常规、低滞后矩形及翼型3种刷式密封泄漏流动特性进行数值模拟，获得了压力分布及泄漏量数据，在对比分析后提出了背板轴向间隙这一概念，并在此基础上研究了背板轴向间隙对低滞后刷式密封泄漏流动特性的影响。

刷式密封主要由前板、背板以及夹装在两者之间紧密排列的刷丝束组成[3]，其中刷丝束的刷丝极细，直径一般仅为0.05～0.07 mm，按与轴中心线成30°～60 °方向排列[6]。

本文作者采用的常规刷式密封具体几何参数[10]如下：转子半径为60.88 mm，前板与背板的厚度均为1.625 mm，刷丝束厚度B为0.6 mm，前板自由高度hbf为10.32 mm，背板保护高度为1.4 mm，下游流体区高度为14.975 mm。

低滞后矩形与翼型刷式密封以上述常规刷式密封几何结构为基础，参照文献[3,8-9]改进而成，常规、矩形、翼型3种刷式密封几何结构如图1所示。

采用计算流体力学软件Fluent对刷式密封泄漏流动特性进行二维数值模拟，模型采用轴对称分析模型，通过ICEM软件划分获得结构化网格，经网格无关性验证，确定常规、矩形、翼型3种计算模型的最终网格数分别为28万、29万、30万左右，以常规刷式密封为例，局部网格示意图如图2所示。

根据分析需要，网格疏密程度由低到高依次为上游流体区、下游流体区、刷束区、下游保护区及减压槽区域。

流体介质为可压缩理想气体，计算模型边界条件设定如下：入口边界为压力入口(给定入口总压分别为0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40 MPa，总温为300 K)；出口边界为压力出口(给定出口总压为0.10 MPa)；固壁边界为绝热无滑移固体壁面，近壁区域采用标准壁面函数；紊流模型采用双方程k-epsilon模型。

鉴于刷束区刷丝排列的复杂性与多样性，本文作者采用多孔介质模型模拟流体在刷束区域的流动。

通过在动量方程中增加源项，多孔介质模型可以模拟计算域中多孔介质材料对流体的流动阻力。

该源项由两部分组成，即Darcy黏性阻力项和惯性阻力项，对于简单的均匀多孔介质，增加源项的动量方程为多孔介质区的黏性阻力系数与惯性阻力系数由文献[10]提供。

在不同进出口压比条件下对常规刷式密封泄漏流动特性进行数值计算分析，得到泄漏量与压比的关系，图3给出了数值模拟的计算结果，并与Bayley和Long[11]的试验数据进行比较。

由图可得，CFD计算结果与试验数据吻合良好，采用的阻力系数以及所建模型可以较准确地模拟刷式密封的泄漏流动。

图4给出了压比为2.5时3种刷式密封背板处的压力分布特征。

其中，；，r为径向坐标，以刷丝束底端为起点，向上为正方向。

对于常规刷式密封，由图4可见，大部分压降发生在靠近转子表面的自由高度段，在0.125<r*<0.285区域内，压力梯度最大，压力随r*减小急剧减小。

自由高度上半段背板处压力值接近上游的压力值，这是由于常规刷式密封背板的设置极大增加了自由高度上半段流体的流动阻力，从而导致上半段压力下降缓慢。

与常规刷式密封相比，矩形刷式密封背板处的压力分布情况几乎没有得到改善，在r*<0.215区域内，2种刷式密封背板处的压力分布特征曲线基本重合，在自由高度上段，矩形刷式密封背板处压力值整体基本保持不变，在接近刷丝根部区域压力值略低于常规刷式密封，在远离刷丝根部区域压力值甚至略高于常规刷式密封，这是由于矩形槽下端凸出部分对工质的阻碍，且矩形槽的存在导致槽内各处压力分布趋于均匀。

翼型刷式密封与前2种刷式密封相比，背板处压力值除在保护高度区域内略有增大外，其他高度范围内压力值则下降明显，在保护高度上半段背板处压力值仅有常规刷式密封的12%左右，这样可以有效降低和消除刷式密封的刷丝刚化效应和刷丝滞后效应带来的不良后果。

图5给出了压比为2.5时3种刷式密封密封段转子表面处的压力分布特征。

其中，，表示轴向相对位置，z为转子轴向坐标，以刷丝束靠近上游一端为起点，向右为正方向。

由图5可以看出，常规与矩形刷式密封压力分布曲线几乎完全重合。