張雨霏,何立東,王勝利,亢嘉妮,朱 港

(北京化工大學(xué) 化工安全教育部工程研究中心, 北京 100029)

0 引 言

汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性的重要保障。汽封是汽輪機(jī)防止蒸汽外泄的裝置,汽封的密封性能降低會導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓蒸汽泄漏量增大,從而給汽輪機(jī)工作的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成威脅。

目前,汽輪機(jī)汽封多采用梳齒密封,梳齒密封優(yōu)勢在于其加工工藝簡單、成本低廉[1]。但是采用梳齒密封的汽輪機(jī)汽封容易出現(xiàn)以下問題:(1)汽輪機(jī)在使用過程中容易發(fā)生轉(zhuǎn)子形變,為了避免損壞轉(zhuǎn)子,密封間隙不能設(shè)計得過小,但這會導(dǎo)致汽封的密封性能降低;(2)梳齒密封在較高轉(zhuǎn)速下可能產(chǎn)生流體激振,影響汽輪機(jī)工作穩(wěn)定性[2]。

與梳齒密封相比,蜂窩密封不僅具有良好的密封特性,更具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)子動力特性[3-7]。其主要原因在于,蜂窩密封的蜂窩芯格擁有獨(dú)立的六邊形腔體,從而能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的渦旋和阻耗效應(yīng)[8,9]。另一方面,蜂窩密封所采用的芯格材質(zhì)為可磨損鎳基耐高溫合金,其質(zhì)地較鐵素體柔軟,在轉(zhuǎn)子與蜂窩芯格發(fā)生碰磨時,不會傷及轉(zhuǎn)子[10]。因此,在設(shè)計蜂窩密封結(jié)構(gòu)時,蜂窩芯格與轉(zhuǎn)子間的間隙可以設(shè)計得更小,更有利于提高密封效果。因此,將蜂窩密封應(yīng)用于汽輪機(jī)汽封,有助于提高汽輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性和安全性。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對蜂窩密封的密封特性和內(nèi)部流動特性開展了大量研究。CHILDS D等人[11]對7種不同的蜂窩密封進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)蜂窩密封的結(jié)構(gòu)對其密封特性有重要影響。李盼等人[12]研究了蜂窩的排列方式對蜂窩密封封嚴(yán)特性的影響。LI J等人[13]通過仿真與實(shí)驗(yàn)方法研究了蜂窩壁厚、進(jìn)出口壓比、轉(zhuǎn)速等因素對蜂窩密封封嚴(yán)特性的影響。FRACZEK D等人[14]研究了蜂窩的摩擦效應(yīng)對密封性能的影響。李軍等人[15]通過將其與梳齒密封進(jìn)行對比研究,發(fā)現(xiàn)蜂窩密封的密封性能更好。

本文通過仿真分析比較梳齒密封與蜂窩密封的密封特性,并通過研究梳齒結(jié)構(gòu)、蜂窩芯格深度和蜂窩芯格直徑對密封性能的影響,探究蜂窩密封的密封特性影響因素;并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行工程技術(shù)改造,為蜂窩密封在汽輪機(jī)汽封上的應(yīng)用發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)。

1 梳齒密封使用中存在的問題

1.1 機(jī)組及其密封參數(shù)

某大型煤化工企業(yè)有A/B兩套空分機(jī)組,使用杭州某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的HNKS50/71/32汽輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。該汽輪機(jī)采用復(fù)合氣缸,是高溫高壓、全冷凝式的工業(yè)汽輪機(jī)。汽輪機(jī)軸兩端分別驅(qū)動空氣壓縮機(jī)和增壓壓縮機(jī)。該汽輪機(jī)由汽缸、導(dǎo)葉持環(huán)、轉(zhuǎn)子、軸承及滑銷系統(tǒng)、葉頂氣封和軸封等部件組成。設(shè)計額定轉(zhuǎn)速4 480 r/min,額定功率為41 058 kW,進(jìn)口壓力8.83 MPa,進(jìn)汽溫度525 ℃。

該空分機(jī)組如圖1所示。

圖1 空分機(jī)組

該A/B兩套空分機(jī)組汽輪機(jī)的前汽封原始結(jié)構(gòu)為梳齒密封。筆者根據(jù)其密封備件繪制了梳齒密封結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

圖2 原始梳齒密封結(jié)構(gòu)圖

梳齒密封主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 梳齒密封主要技術(shù)參數(shù)表

1.2 存在的問題

原梳齒密封轉(zhuǎn)子齒與密封內(nèi)壁面的半徑間隙為0.4 mm,轉(zhuǎn)子與密封梳齒的半徑間隙為0.4 mm,在經(jīng)過一個大修期的運(yùn)行后,由于迷宮式梳齒密封本身密封效果欠佳,同時轉(zhuǎn)子與梳齒密封的梳齒發(fā)生碰磨,導(dǎo)致梳齒密封與轉(zhuǎn)子的間隙增大,密封性能變差,導(dǎo)致汽輪機(jī)高溫蒸汽泄漏量嚴(yán)重。

根據(jù)現(xiàn)場觀察可知,汽輪機(jī)前汽封處高溫蒸汽泄漏嚴(yán)重,可以看到明顯的白色霧汽冒出。同時,受到前汽封高溫蒸汽泄漏增大的影響,汽輪機(jī)徑向瓦監(jiān)測溫度升高達(dá)到了97.87 ℃,已經(jīng)嚴(yán)重影響到了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

2 蜂窩密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),筆者對該汽輪機(jī)前汽封進(jìn)行蜂窩密封改造,在基于原始梳齒密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種蜂窩—梳齒密封,其局部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 蜂窩—梳齒密封局部結(jié)構(gòu)圖

蜂窩—梳齒密封主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 蜂窩—梳齒密封主要技術(shù)參數(shù)表

在保持密封件的外形尺寸保持不變的情況下,保留了密封上的梳齒結(jié)構(gòu)。同時,筆者在齒間凹槽處增加芯格深度3.2 mm、芯格直徑1.6 mm的蜂窩密封帶,并保證焊滿蜂窩。由于蜂窩密封的芯格與轉(zhuǎn)子齒的間隙可以設(shè)計的更小,在保持轉(zhuǎn)子與密封梳齒間半徑間隙0.4 mm不變情況下,將轉(zhuǎn)子上齒與蜂窩芯格的半徑間隙減小至0.2 mm。

為驗(yàn)證此次改造設(shè)計的可靠性,比較梳齒密封和不同結(jié)構(gòu)蜂窩密封的密封性能差異,筆者應(yīng)用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對汽輪機(jī)前汽封流場進(jìn)行了仿真分析。

3 密封流場的仿真分析

3.1 流場建模與網(wǎng)格劃分

筆者利用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對汽輪機(jī)前汽封出口段流場進(jìn)行了模擬仿真。

基于表1和表2的主要技術(shù)參數(shù),筆者對不同結(jié)構(gòu)密封的流場進(jìn)行了建模,梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場模型如圖4所示。

圖4 梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場模型

筆者采用六面體網(wǎng)格對密封流場進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,仿真分析了不同結(jié)構(gòu)密封的密封性能。

梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場網(wǎng)格劃分

筆者對多種密封結(jié)構(gòu)的流場模型進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置,依據(jù)汽輪機(jī)前汽封出口段工作情況,將流場入口設(shè)置為壓力入口(Pressure-inlet),入口壓力設(shè)置為2 MPa,密封出口設(shè)置為壓力出口(Pressure-outlet),出口壓力設(shè)置為0.1 MPa,轉(zhuǎn)子壁面與轉(zhuǎn)子梳齒壁面為旋轉(zhuǎn)面,設(shè)置為壁面(Wall),轉(zhuǎn)速為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速4 480 r/min。依據(jù)所建模型參數(shù)設(shè)置周期性邊界,周期性角度為1.5°。求解器湍流模型設(shè)置為旋轉(zhuǎn)流場常用的Realizablek-ε。

3.2 梳齒密封與蜂窩-梳齒密封的密封性能對比

在相同仿真參數(shù)設(shè)置的情況下,筆者仿真計算比較蜂窩芯格深度3.2 mm、芯格直徑1.6 mm的蜂窩—梳齒密封與原始梳齒密封間的密封性能差異。

梳齒密封和蜂窩-梳齒密封流場的壓力分布圖如圖6所示。

圖6 梳齒密封和蜂窩—梳齒密封流場壓力分布圖

與梳齒密封流場進(jìn)行比較,蜂窩—梳齒密封流場壓力快速下降的位置主要出現(xiàn)在蜂窩芯格腔體內(nèi)和密封間隙處。這說明蜂窩-梳齒密封獨(dú)特的蜂窩芯格結(jié)構(gòu)額外消耗了大量的流體能量。

梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場速度矢量圖如圖7所示。

圖7 梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場速度矢量圖

從圖7可以看出:梳齒密封和蜂窩-梳齒密封流場內(nèi)都產(chǎn)生了明顯渦流,但流體在蜂窩-梳齒密封腔體的流速明顯更快且更密集,且在蜂窩芯格腔體內(nèi)產(chǎn)生了大量渦流;同時,蜂窩芯格腔體中流出的流體與密封腔的流體間出現(xiàn)了相互作用,出現(xiàn)了密集的渦流,與之相比,相同區(qū)域的梳齒密封腔內(nèi)的渦流則明顯較少。

渦流的密集程度可以反映出密封腔對流體的能量耗散作用強(qiáng)弱,可見整個蜂窩-梳齒密封產(chǎn)生的渦流更多,相較于梳齒密封,其能量耗散作用更好。

梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場泄漏量計算結(jié)果如表3所示。

表3 梳齒密封和蜂窩—梳齒密封的流場泄漏量計算表

由表3可知:蜂窩—梳齒密封的泄漏量相比梳齒密封降低了0.036 kg/s,計算得到流體泄漏量降低了24%。蜂窩—梳齒密封的泄漏量更小,其密封性能好于梳齒密封。

3.3 梳齒結(jié)構(gòu)對密封性能影響的對比分析

原汽輪機(jī)前汽封處汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為有齒結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行蜂窩密封改造時,為研究梳齒結(jié)構(gòu)對蜂窩密封的密封性能影響,在保持密封間隙與蜂窩芯格結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,筆者建立了無梳齒蜂窩密封流場模型。通過仿真分析對比有梳齒結(jié)構(gòu)和無梳齒結(jié)構(gòu)的蜂窩密封間的密封性能差異。

在相同仿真參數(shù)設(shè)置的情況下,計算得到的無梳齒蜂窩密封的壓力分布云圖如圖8所示。

圖8 無梳齒蜂窩密封流場壓力分布圖

計算得到的無梳齒蜂窩密封流場速度矢量圖如圖9所示。

圖9 無梳齒蜂窩密封流場速度矢量圖

從圖(8,9)可以發(fā)現(xiàn):與蜂窩—梳齒密封相比,無梳齒的蜂窩密封在蜂窩芯格腔體內(nèi)的流場壓力依然會快速下降。這說明在沒有梳齒結(jié)構(gòu)的情況下,蜂窩密封的蜂芯格結(jié)構(gòu)依然可以消耗大量流體能量,蜂窩芯格的能量耗散作用十分明顯。但是由于缺少梳齒結(jié)構(gòu),無梳齒結(jié)構(gòu)的蜂窩密封內(nèi)出現(xiàn)了較大空腔,蜂窩芯格與轉(zhuǎn)子間的密封腔內(nèi)不再有明顯的壓力降,腔體內(nèi)的渦流數(shù)量也出現(xiàn)明顯減少,導(dǎo)致蜂窩密封的能量耗散作用受到削弱。

本研究得到的3種不同結(jié)構(gòu)密封的流場泄漏量計算結(jié)果如表4所示。

表4 3種不同結(jié)構(gòu)密封的流場泄漏量計算表

相比梳齒密封的泄漏量,蜂窩—梳齒密封的泄漏量降低了24%,無梳齒蜂窩密封的泄漏量則只降低了15%?？梢园l(fā)現(xiàn):蜂窩密封的密封效果明顯優(yōu)于原始的梳齒密封,而有梳齒結(jié)構(gòu)的蜂窩—梳齒密封相比無梳齒結(jié)構(gòu)的蜂窩密封,其密封性能更好。

3.4 蜂窩芯格深度對密封性能影響的對比分析

蜂窩密封的芯格結(jié)構(gòu)對蜂窩密封的密封性能有著重要影響。蜂窩芯格的結(jié)構(gòu)主要有兩個影響因素:(1)蜂窩芯格深度;(2)蜂窩芯格直徑。為研究蜂窩芯格深度和蜂窩芯格直徑對密封效果的影響,筆者分別開展仿真對比研究。

為研究蜂窩密封蜂窩芯格深度對蜂窩密封的密封性能影響,筆者在蜂窩芯格直徑均為1.6 mm的情況下,分別建立了蜂窩芯格深度為3.2 mm、1.5 mm和0.5 mm的蜂窩—梳齒密封流場模型,模擬計算不同芯格深度下的蜂窩—梳齒密封的密封特性。

計算得到的3種蜂窩芯格深度的蜂窩-梳齒密封的壓力分布圖,如圖10所示。

圖10 3種蜂窩芯格深度的蜂窩-梳齒密封壓力分布圖

從圖10可以看出:蜂窩芯格深度越深,蜂窩芯格腔體內(nèi)的流場壓力降越明顯。3.2 mm深度的蜂窩密封的蜂窩芯格腔體內(nèi)出現(xiàn)明顯的流場壓力變化,而1.5 mm和0.5 mm深度的蜂窩密封壓力變化則主要出現(xiàn)在密封間隙處,說明深度越淺的蜂窩芯格其能量耗散效果越弱。

3種蜂窩芯格深度的蜂窩-梳齒密封流場速度矢量圖如圖11所示。

圖11 3種深度蜂窩芯格的蜂窩-梳齒密封流場速度矢量圖

由圖11可知:深度越深的蜂窩芯格內(nèi)的渦流更多,3.2 mm深度的蜂窩芯格內(nèi)的渦流十分明顯,而1.5 mm和0.5 mm深度蜂窩芯格內(nèi)的渦流則越來減少,說明芯格深度越深的蜂窩密封,其蜂窩芯格結(jié)構(gòu)能夠消耗的流體能量越多。

計算得到的不同芯格深度的蜂窩密封的流體泄漏量結(jié)果,如表5所示。

表5 不同深度蜂窩芯格的蜂窩密封的流場泄漏量計算表

由表5可知:相比梳齒密封的泄漏量,3.2 mm芯格深度的蜂窩—梳齒密封的泄漏量降低了24%,1.5 mm芯格深度的蜂窩—梳齒密封的泄漏量則降低了22%,0.5 mm芯格深度的蜂窩—梳齒密封的泄漏量降低了19%。顯然,芯格深度越深的蜂窩密封,其密封性能越好。

3.5 蜂窩芯格直徑對密封性能影響的對比分析

通過以上研究發(fā)現(xiàn),芯格深度3.2 mm的蜂窩密封的密封性能最好。在此基礎(chǔ)上,為研究蜂窩芯格深度對蜂窩密封的密封性能影響,在蜂窩芯格深度均為3.2 mm的情況下,筆者分別建立了蜂窩芯格直徑為3.2 mm、1.6 mm和0.8 mm的蜂窩—梳齒密封流場模型,模擬計算不同蜂窩芯格直徑情況下的蜂窩—梳齒密封的密封性能。

基于仿真參數(shù)設(shè)置相同的情況下,計算得到的3種蜂窩芯格直徑的蜂窩-梳齒密封的壓力分布云圖,如圖12所示。

圖12 3種蜂窩芯格直徑的蜂窩-梳齒密封壓力分布圖

從圖12可以看出:芯格直徑3.2 mm的蜂窩密封相較于芯格直徑1.6 mm和0.8 mm直徑的蜂窩密封,其蜂窩芯格內(nèi)的壓力降不明顯,能量耗散作用明顯較弱;芯格直徑0.8 mm的蜂窩密封壓力降則主要出現(xiàn)在密封間隙和密封間隙處的蜂窩芯格內(nèi),且與芯格直徑1.6 mm的蜂窩密封相比,其在密封間隙處的蜂窩芯格的能量耗散作用更強(qiáng)。

同時,3種蜂窩芯格直徑的蜂窩-梳齒密封流場速度矢量圖如圖13所示。

圖13 3種蜂窩芯格直徑的蜂窩-梳齒密封流場速度矢量圖

由圖13可見:芯格直徑3.2 mm的蜂窩密封的密封能力較差,其主要原因在于蜂窩芯格直徑過大,使得轉(zhuǎn)子齒與芯格間的密封間隙不能起到有效的密封作用,導(dǎo)致流體可以直接越過密封間隙,導(dǎo)致整個密封腔內(nèi)的渦流變少,密封效果變差。而芯格直徑1.6 mm和0.8 mm蜂窩芯格內(nèi)的渦流則相對較多。但不同之處在于,芯格直徑0.8 mm的蜂窩芯格內(nèi)的渦流主要集中密封間隙附近的芯格內(nèi),說明芯格直徑0.8 mm的蜂窩芯格的與密封間隙相配合產(chǎn)生的密封效果更好。

計算得到的不同蜂窩芯格直徑的蜂窩密封的流體泄漏量結(jié)果如表6所示。

表6 不同蜂窩芯格直徑的蜂窩密封的流場泄漏量計算表

由表6可知:相比梳齒密封的泄漏量,芯格直徑3.2 mm的蜂窩—梳齒密封的泄漏量增大了3%,芯格直徑1.6 mm的蜂窩—梳齒密封的泄漏量則降低了24%,芯格直徑0.8 mm的蜂窩—梳齒密封的泄漏量降低了40%。這表明對于該密封結(jié)構(gòu),芯格直徑0.8 mm的蜂窩—梳齒密封的密封性能最好。

4 蜂窩密封實(shí)際應(yīng)用及效果

根據(jù)以上的仿真計算結(jié)果,筆者結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),最終確定的改造方案為蜂窩芯格深度3.2 mm、蜂窩芯格直徑1.6 mm的蜂窩—梳齒密封。

設(shè)計加工好的蜂窩—梳齒密封如圖14所示。

圖14 加工完成的蜂窩—梳齒密封

筆者對汽輪機(jī)的前汽封進(jìn)行改造,替換原始的梳齒密封,安裝蜂窩—梳齒密封,如圖15所示。

圖15 安裝完成的蜂窩—梳齒密封

在完成密封改造后,汽輪機(jī)重新開車,其高溫蒸汽泄漏明顯降低,前汽封處已無可見白煙。

改造前后該汽輪機(jī)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 蜂窩密封改造前后傳感器數(shù)據(jù)

汽輪機(jī)徑向瓦監(jiān)測溫度由改造前的97.87 ℃降低至78.41 ℃,降幅達(dá)20%,汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常。同時,與改造前相比,汽輪機(jī)徑向瓦處振動也降低了45%。這主要是由于蜂窩密封在減少流體泄漏的同時,還具有良好的減振性能。傳感器參數(shù)變化表明相較于梳齒密封,蜂窩密封不僅擁有更好的密封性能,還能有效降低轉(zhuǎn)子振動,為汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供更佳的保障。

同時,筆者對該公司的HT5001冰機(jī)汽輪機(jī)前汽封、HT7001合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)前汽封和201發(fā)電汽輪機(jī)前汽封,進(jìn)行了相同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩密封改造,如圖16所示。

圖16 蜂窩密封改造的其他汽輪機(jī)機(jī)組

以上機(jī)組在完成汽輪機(jī)前汽封改造后,檢修完成滿負(fù)荷開車,汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)正常,蜂窩密封的密封效果良好,解決了汽輪機(jī)高溫蒸汽泄漏問題。機(jī)組超過一年的穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果,充分驗(yàn)證蜂窩密封工作的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)束語

基于原始梳齒密封件結(jié)構(gòu),筆者進(jìn)行了蜂窩密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計,運(yùn)用CFD軟件對密封流場進(jìn)行了密封性能分析,并加工出了新型蜂窩密封件,進(jìn)行了密封件的應(yīng)用改造驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:

(1)與梳齒密封相比,結(jié)構(gòu)合理的蜂窩密封可以在蜂窩芯格腔體內(nèi)產(chǎn)生大量渦流,耗散更多流體能量,有效降低汽輪機(jī)高溫蒸汽泄漏量;

(2)對于有齒的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),有梳齒結(jié)構(gòu)的蜂窩—梳齒密封相比無梳齒結(jié)構(gòu)的蜂窩密封,其密封性能更好;

(3)對于所研究的密封結(jié)構(gòu),在蜂窩芯格深度分別為3.2 mm、1.5 mm和0.5 mm時,芯格深度越深的蜂窩密封其密封性能越好;在蜂窩芯格直徑分別為3.2 mm、1.6 mm和0.8 mm時,芯格直徑越小的蜂窩密封其密封性能越好;

(4)改造后汽輪機(jī)的振動傳感器測量的振動明顯降低,說明蜂窩密封還能有效降低轉(zhuǎn)子振動。