低滞后刷式密封泄漏流动数值模拟及结构优化

　　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。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%，具有优良的转子动力特性，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。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。

　　3、结论

　　(1) 与常规刷式密封相比，矩形刷式密封在保持泄漏量基本不变的同时刷丝迟滞性状况并没有得到改善，在远离根部区域压力甚至略有提高; 翼型刷式密封在降低刷丝迟滞性方面效果明显，在2.5 倍前后压比的条件下，密封上半段背板处压力值仅有常规刷式密封的12%左右，但泄漏量也呈几何倍数增长，达到了常规刷式密封泄漏量的4.01 倍。

　　(2) 在前后压比一定的条件下，泄漏量与轴向间隙成正比关系，泄漏增加量与轴向间隙成反比关系，且在轴向间隙较小时，随着轴向间隙的增大，泄漏量的增加与泄漏增加量的减小最为显著。另外，压比增大也会导致泄漏量的增加，且这种影响会随着轴向间隙的增大而增大。

　　(3) 在保护高度以上区域范围内，背板处压力值及压力值降幅均随着轴向间隙的增大而减小，轴向间隙由0 增大到0.1 mm 时压力下降的效果最明显。在工程实际应用中，可以通过改变轴向间隙的方法，在泄漏量允许范围内最大程度降低迟滞性的影响，轴向间隙为0.1 mm 的低滞后刷式密封对矩形及翼型刷式密封性能进行折中与整合，在密封性及迟滞性两方面都获得了相对良好的表现。