汽轮机低压缸端部汽封作为低压缸与外界大气隔绝的有效途径，在汽轮机整体结构中起着重要的作用。由于低压缸内部压力小于大气压力，在端部汽封密封效果不良时，漏入空气会造成缸内真空度降低、机组做功能力下降。随着计算机技术的迅速发展和计算流体动力学水平的不断提高，利用数值模拟方法研究汽封内部汽流的速度场、压力场和温度场已成为了现实^[1]。本文以内蒙古京隆发电有限责任公司600MW汽轮机组为对象，开展低压缸端部汽封结构的数值模拟研究，分析汽封性能的影响因素，为汽封结构、性能的改进提供理论依据。 1 汽轮机组简介

内蒙古京隆发电有限责任公司2号汽轮机为上海汽轮机厂有限公司生产的N600-16.67/538/538型式，亚临界、一次中间再热、单轴、3缸4排汽、高中压合缸、直接空冷、反动式凝汽机组。在2号机组运行过程中，由于低压缸端部汽封不严密，造成大量空气漏入凝汽器，导致机组真空严密性试验结果一直超标^[2]。2 汽封模型构建 2.1 物理模型

物理模型直接影响数值模拟的准确性，因此物理模型的建立是数值模拟工作中最重要的一个环节^[3,4,5]。为了得到更真实、合理的汽封模型，本文以2号机组低压缸端部汽封实物结构为基础建立了三维模型，保证所取得的数据与实际参数相符。图 1为汽轮机低压缸端部迷宫式汽封的实体造型。

图 1(Figure 1)

图中：a—汽封齿的厚度，mm；S1—汽封总长度，mm；S2—汽封间距，mm；h—汽封齿高度，mm图 1 迷宫式汽封实体造型图

2号机组低压缸端部汽封参数如下：S₁为73mm，S₂为9.125mm，a为1.3mm，h为8mm。为便于计算，假设转子相对于汽封为静止状态，且忽略汽封内的热量传递。 2.2 数学模型 2.2.1 连续性方程及动量守恒方程

连续性方程见公式（1）^[3,4,5]：

u_i—工质在i方向上的速度，m/s；

t—时间，s；

ρ—流体密度，kg/m³；

x_i—流动方向坐标轴。

在非加速的惯性坐标系中，存在着几个方向的动量方程，下面仅给出i方向上的动量守恒方程^[3,4,5]，见公式（2）：

x_i—流动方向坐标轴；

p—工质的静压，Pa；

t_ji—工质的应力张量，N/m²；

g_i—i方向上的重力加速度，m/s²；

f_i—外部体积力（离散项与其他项存在很多力的相互作用，如离散项相互作用产生的升力），N。Fi包含了如多孔介质和自定义源项等其他的模型相关源项。2.2.2 壁面函数法

紊流的标准к-ε模型只有在紊流的充分发展阶段才有效，但在近壁区域，尤其是汽封这样在近壁区域流动较为强烈的结构内，汽流流动状态变化很大，特别是在贴近转子壁面的黏性底层，流动几乎是层流流动，紊流应力基本不起作用^[3]。目前解决该问题的办法有2个：不去求解黏性影响比较明显的区域；用壁面函数等半经验公式进行解决，可以将壁面的物理量与远离近壁区域的紊流核心区内的相应物理量充分结合，能够很好地解决问题。对于迷宫式汽封近壁区域流动问题的处理，也能采用该方法。3 区域化离散

由于汽封结构形状的不规则，拓扑形状较为复杂，需要选用非结构化网格（可以用自由网格生成，即选择合适的三角形网格类型），在Gambit软件中生成的网格结果如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 汽封的网格划分图

紊流模型采用к-ε模型，近壁区域主要采用壁面函数法^[3]计算处理。 4.2 边界条件

模型计算边界条件（汽封入口和出口参数）见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 汽封入口和出口参数

表 1 汽封入口和出口参数

迷宫式汽封主要由汽封齿、汽封体及弹性片组成。本文主要研究当汽封长度不变的情况下，汽封齿的厚度、高度以及汽封齿与转子之间的间隙等参数对汽封密封效果的影响。4.3.1 汽封齿厚度的影响

不同汽封齿厚度时汽封中汽流流动的速度矢量图见图 3。

图 3(Figure 3)

图 3 不同汽封齿厚度时汽流的速度矢量图

从图 3可以看出，随着汽封齿厚度的增加，近壁区域的汽流流速并没有明显的变化，汽封齿间所形成的涡流耗散中心汽流速度及涡流的强弱程度也几乎没有变化。4.3.2 汽封齿高度的影响

图 4为不同汽封齿高度时汽封中汽流流动的速度矢量图。

图 4(Figure 4)

图 4 不同汽封齿高度时汽流的速度矢量图

当齿高为4mm时，汽流有向齿间隙流动的迹象，但是在汽封齿间汽流没有形成有效的涡流耗散中心，说明汽流虽然能够在汽流间隙中形成耗散效应，但由于其涡流中心的偏斜，并不能将汽流的动能有效地转换为热能^[4]；当齿高逐渐增加时，汽封齿间的涡流耗散中心才变得明显。当齿高为12mm时，涡流形成的耗散中心最为明显，但是这并不代表汽封齿越高，汽流动能转换为热能的能力越强。由于汽轮机部件紧凑，齿高的增加也会受到很大的限制，如何选取合适的汽封齿高度以达到最佳的密封效果，还需进一步研究。4.3.3 汽封齿与转子之间间隙的影响

图 5为汽封齿与转子之间不同间隙情况下，汽封内汽流速度矢量图。

图 5(Figure 5)

图 5 不同密封间隙时汽流的速度矢量图

从图 5可以看出，随着汽封间隙的逐渐增大，转子近壁区域汽流的速度逐渐增加：当汽封间隙达到设定的最大值（1.2mm）时，近壁区域汽流速度达到最大；汽流在经过每1个汽封齿时，都会在相应的间隙中形成单独涡流中心，涡流的强弱决定了能量消耗的多少；当汽封间隙小时，涡流耗散的强度较弱，其主要原因为汽流总体流量较少，不容易形成较大的涡流耗散中心^[5]。

上述数值模拟结果表明，对于迷宫式汽封，汽封间隙是影响其性能的最重要的参数，因此，只要将汽封间隙调整至足够小，就能够解决低压缸端部汽封密封不严的问题。5 改进效果

2011年，内蒙古京隆发电有限责任公司利用A级检修机会，对2号机组低压缸端部汽封间隙进行了调整，主要措施如下：

（1）更换了失去弹性或弹起效果不好的汽封弹簧片；

（2）对磨损较严重的汽封齿（已经不能达到使用间隙要求的汽封块）进行了整体更换；

（3）根据上海汽轮机厂有限公司的要求，将端部汽封的汽封间隙调整至图纸要求的下限值，即0.45mm。经过此次检修，2号汽轮机组投入运行后，运行状态良好，轴瓦振动正常^[6]，真空严密性良好（约100Pa/min），完全达到了检修预期目标。 6 结语

汽封齿厚度的增加并不会影响汽封的性能，而当汽封的高度变化时，汽封的气密性会随着汽封高度的增加而增强。依据汽轮机端部汽封数值计算模型分析结果，内蒙古京隆发电有限责任公司调整了2号汽轮机组汽封间隙，最终消除了低压缸真空严密性差的缺陷。检修结果也充分证明了数值模拟结果的正确性，可为汽轮机其他部位汽封的调整提供参考。