田朝陽 孔祥林 周偉久

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

刷式汽封性能試驗(yàn)分析

田朝陽 孔祥林 周偉久

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

刷式汽封是近年發(fā)展起來的一種高效阻尼密封， 其泄漏量是梳齒迷宮密封的 1/5～1/10[1]， 并允許動(dòng)靜之間瞬態(tài)嚴(yán)重不同心而保持密封能力不變，既提高了機(jī)組效率，又改善了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，是現(xiàn)代透平機(jī)械發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了研究刷式汽封的密封效果，對(duì)刷式汽封和傳統(tǒng)迷宮汽封進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明刷式汽封漏氣量較小，性能較好，但對(duì)制造加工工藝要求較高。

刷式汽封；透平機(jī)械；性能試驗(yàn)；加工工藝

0 引言

密封問題的設(shè)計(jì)研究在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域有非常重要的意義，對(duì)汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等透平機(jī)械的設(shè)計(jì)尤為重要。

汽封是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中用來密封高壓汽體泄漏的必要部件，汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)，由于各級(jí)前后存在較大的壓差，在隔板和主軸的間隙處，以及動(dòng)葉頂部與汽缸間隙處存在漏氣。另外，在汽輪機(jī)的汽缸兩端主軸穿出汽缸處，蒸汽也會(huì)從動(dòng)靜間隙處向外泄漏，這些都會(huì)增加漏氣損失，使汽輪機(jī)的效率降低，為提高機(jī)組效率，廣泛采用汽封阻擋以上各處的漏汽 （氣）， 使通過的工作蒸汽產(chǎn)生節(jié)流與熱力效應(yīng)而達(dá)到密封效果。

傳統(tǒng)迷宮式汽封是一種非接觸式剛性密封，間隙較小，汽封齒會(huì)在和轉(zhuǎn)子碰磨后很快磨損，而且還會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)剛體碰磨而帶來安全問題。另外，由于結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)迷宮汽封在實(shí)際運(yùn)行中并不能完全保證設(shè)計(jì)間隙，由于機(jī)組起到過臨界，異常的振動(dòng)超差，甚至由于運(yùn)行人員的操作失誤等原因，都有可能造成汽封永久性磨損，而密封間隙也會(huì)大幅增加，引起泄漏損失的增大，因此僅僅通過更換汽封圈不能有效提高機(jī)組效率[2]。

刷式汽封是一種柔性密封，它能適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間徑向變形或偏心運(yùn)動(dòng)，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙，同時(shí)由于增加了轉(zhuǎn)子振動(dòng)阻力，還有利于改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。由于刷式汽封較好的密封效果，在國外已得到廣泛應(yīng)用，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，刷式汽封的應(yīng)用已超過10年； 在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域， 世界幾大知名企業(yè)也均在其產(chǎn)品中采用了刷式密封[3]。

1 刷式汽封工作原理

圖1 刷式汽封結(jié)構(gòu)簡圖

刷式汽封由前、后固定面板及夾持中間的高密度集高溫合金細(xì)金屬絲組成的刷毛束構(gòu)成，如圖1所示。刷絲沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向有一定的傾角，這樣每根細(xì)金屬絲都類似于小彈簧，集合而成的刷毛束能通過柔性退讓吸收轉(zhuǎn)子的徑向偏移，并且很容易恢復(fù)閉合狀態(tài)，保證優(yōu)越的密封性，即使短暫與轉(zhuǎn)子過盈接觸也不會(huì)像迷宮式汽封一樣出現(xiàn)永久性的磨損。

刷式汽封內(nèi)流動(dòng)形態(tài)與迷宮式汽封有較大的區(qū)別，由于刷毛束的多孔介質(zhì)特性，從迷宮式泄漏的氣流直接沖撞到刷毛束上，由于刷絲間間隙的不均勻性，氣體進(jìn)入刷毛束中就變得不均勻了，一部分經(jīng)過多孔介質(zhì)刷毛束滲流進(jìn)入下一腔室，另一部分形成回流在腔室內(nèi)構(gòu)成一個(gè)較大的旋渦流，將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。由于刷毛束破壞了流動(dòng)而確保流動(dòng)的不均勻性，使流體產(chǎn)生了自密封效應(yīng)，泄漏的氣流經(jīng)過刷毛束后壓力下降較大，因此刷毛束能夠有效阻止氣流的泄漏量，提高密封效果。隨著壓比的增大，刷子中刷絲的密度增加，刷絲之間的空隙減少而使有效的泄漏面積減少，同時(shí)使泄漏流動(dòng)的阻力增大，從而使泄漏隨壓比的增加梯度降低。

多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)相對(duì)于非多孔介質(zhì)流動(dòng)要受到附加的流體與刷絲束表面間摩擦阻力的作用。多孔介質(zhì)的滲透率系數(shù)是多孔介質(zhì)通過流體能力的表征參數(shù)。牛頓流體通過多孔介質(zhì)的速度和壓降可由 Darcy 定律給出[4]。

其中， xi代表流動(dòng)的方向， Ki是多孔介質(zhì)的滲透率系數(shù)， ui是 xi上的流動(dòng)速度， P 和 μ 是流體的壓力和動(dòng)力粘性系數(shù)。

式 （1）是僅考慮了粘性阻力效應(yīng)的線性化的Darcian 多孔介質(zhì)模型。 針對(duì)刷式密封，發(fā)展了考慮粘性阻力和內(nèi)部阻力的壓降計(jì)算公式，見式（2）

其中， ai是三個(gè)正交方向的粘性阻力系數(shù)， bi是三個(gè)正交方向的內(nèi)部阻力系數(shù)。

式 （2）簡化為式 （3）：

其中， ai和 βi分別表示內(nèi)部阻力和粘性阻力。已知 ai和 βi可以計(jì)算多孔介質(zhì)的滲透率系數(shù) Ki。

2 試驗(yàn)方法

刷式汽封和傳統(tǒng)迷宮式汽封試驗(yàn)在汽封試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，汽封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)最大試驗(yàn)壓比可達(dá) 1.8， 最高轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min。 試驗(yàn)時(shí)通過進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和放空閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力。氣體經(jīng)渦輪流量計(jì)進(jìn)入汽封試驗(yàn)臺(tái)筒體，而汽封間隙是筒體的唯一出口，所以渦輪流量計(jì)所測流量即為通過汽封間隙實(shí)際泄漏的體積流量，再通過所測壓力、溫度計(jì)算氣體密度即可得到質(zhì)量流量。

圖2 汽封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

3 汽封試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)針對(duì)刷式汽封和迷宮式汽封做性能對(duì)比試驗(yàn)，包括變速試驗(yàn)和變壓比試驗(yàn)，兩試驗(yàn)在不同安裝間隙下進(jìn)行多次，變速試驗(yàn)時(shí)，壓比為1.4， 轉(zhuǎn)速變化范圍 0～3000r/min； 變壓比試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 3000r/min， 壓比變化范圍為 1.1～1.6。圖3為汽封安裝示意圖。

圖3 汽封安裝示意圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，刷式汽封相比傳統(tǒng)迷宮式汽封泄漏量水平較低，其泄漏量約為迷宮式汽封的1/5。 由圖4 可知， 在相同壓比下， 兩種汽封的泄漏量隨轉(zhuǎn)速的升高泄漏量均有所減小，說明轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使氣流產(chǎn)生了切向分速度，使得氣流在汽封腔室產(chǎn)生周向漩渦，干擾了氣流的正常流動(dòng)，從而減小汽封泄漏量，但泄漏量的減小幅度不大；根據(jù)圖5可知，在同一轉(zhuǎn)速下做變壓比試驗(yàn)，迷宮式汽封泄漏量隨壓比的升高一直增加，而刷式汽封在壓比較小時(shí)泄漏量隨壓比的增加而增大，但泄漏量增大的梯度有所減緩，當(dāng)壓比到達(dá)一定程度時(shí)，泄漏量會(huì)隨壓比的升高出現(xiàn)明顯的下降。試驗(yàn)結(jié)束后，部分刷絲有磨損現(xiàn)象，尤其是汽封段兩端刷絲。

圖4 兩種汽封不同間隙下泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化

圖5 兩種汽封不同間隙下泄漏量隨壓比的變化

刷式汽封中，其主要部件刷毛是一束捆扎在一起的高密集度的高溫合金細(xì)金屬絲，按一定方向排列的刷毛束被釬焊在左右兩側(cè)的圓環(huán)上，后面板與刷絲自由端的距離以及刷毛束焊接強(qiáng)度對(duì)刷絲的剛度均有重要的影響。在壓比增大時(shí)，刷子中刷絲密度增加，刷絲之間的空隙減少而使有效的泄漏面積減少，從而減小了泄漏量增加的梯度，當(dāng)壓比大到一定程度時(shí)，刷毛兩側(cè)壓差較大，刷絲的排列角度會(huì)增加發(fā)生變形，刷毛束與轉(zhuǎn)子的徑向間隙減小，隨著壓比的增大泄漏量不增反減，壓差較大時(shí)，刷絲會(huì)和轉(zhuǎn)子發(fā)生過盈接觸從而產(chǎn)生永久性磨損。因此，刷式汽封雖然密封效果較好，但對(duì)刷絲焊接強(qiáng)度等均有較高的要求。另外，不同的刷式汽封生產(chǎn)完成后均有其最佳適用范圍。

由試驗(yàn)還得知，間隙是影響汽封泄漏量最關(guān)鍵的因素，如果汽封間隙無法嚴(yán)格控制到位，任何汽封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)都將失去意義。

4 結(jié)語

通過本文對(duì)刷式汽封及迷宮式汽封試驗(yàn)結(jié)果的分析，刷式汽封泄漏量較小，密封性能較好，但刷式汽封的性能和其加工制造工藝有關(guān)，也就是說其質(zhì)量特性的正態(tài)規(guī)律不嚴(yán)格，不同批次的刷式汽封其適用范圍可能會(huì)略有不同。因此，刷式汽封能夠起到較好的密封作用，但對(duì)其加工工藝要求也有較高的要求。

[1] 何立冬,袁新.刷式密封研究的進(jìn)展[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001,21(12):28-3253

[2] 魏琳健,李春清,高雷,寇丹.汽輪機(jī)密封技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展.熱能動(dòng)力工程 ［J］,2005,20(5):455-458,549

[3] 劉 青.刷 式 汽 封 結(jié) 構(gòu) 原 理 及 其 應(yīng) 用 ［J］.煤 炭 科 技 ,2009 (1):73-74

[4] 黃學(xué)民,史偉,王洪銘.刷式密封中泄漏流動(dòng)的多孔介質(zhì)數(shù)值模型[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2000,15(1):55-58

Perform ance Test and Analysis of Brush Steam Seal

Tian Chaoyang， Kong Xianglin， Zhou Weijiu
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The brush steam seal is an efficient damping seal developed recently,its gas leakage is about 1/5 ～1/10 of comb labyrinth seals,it can keep seals unchanged when occuring transient severe different heart between the rotor and stator， it not only increases the efficiency of the unit but also improves the stability of the rotor,so it is one of the key technology for the modern turbomachinery development.A contrast test for the brush steam seal and traditional labyrinth steam seal is made， in order to research the effect of brush steam seal.The result shows that the brush steam seal has lower or leakage and better performance,but higher request formanufacturing process.

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田朝陽 （1985-）， 男， 河南人， 畢業(yè)于華中科技大學(xué)， 工學(xué)學(xué)士， 助理工程師， 從事氣動(dòng)試驗(yàn)研究工作。