強 華 李 健 卞志偉 張興濤 黃明根

（杭州汽輪動力集團股份有限公司，浙江杭州 310022）

0 引言

汽輪機潤滑油系統(tǒng)主要作用是減少轉子與軸承間的摩擦損失，并通過潤滑油的流動帶走摩擦產(chǎn)生的熱量和轉子傳出的熱量[1]。為使汽輪機潤滑油回油順暢，汽輪機軸承座腔室一般保持微負壓狀態(tài)，這樣會導致軸承座腔室對汽封漏汽產(chǎn)生抽吸作用[2]，蒸汽被吸入軸承座腔室導致潤滑油油質變差[3]。若潤滑油水分含量偏高，容易造成油質乳化、抗泡沫性能變差、生成有機酸等，從而產(chǎn)生油乳化物及油泥，影響潤滑油的通流能力、冷卻效果，嚴重時會破壞軸系形成的油膜，引起動靜部位摩擦、局部過熱及機組異常振動等，嚴重威脅汽輪機的安全穩(wěn)定運行。雖然通過不斷改進汽輪機的軸封結構[4]，可以減少汽封漏汽量，但隨著運行時間的推移，軸封漏汽量不可避免地會慢慢變大，蒸汽漏入軸承座腔室的可能性隨之增加。

為防止汽輪機的軸承座腔室內竄入高溫蒸汽，在汽輪機設計時，通?？紤]在軸承座靠近蒸汽密封一側通入稀有氣體（如氮氣、干燥的壓縮空氣等）作為隔離氣[5-6]，以對軸承潤滑系統(tǒng)起到保護作用。本文研究的汽輪機氮氣軸封為迷宮式結構，通過幾道密封齒在隔絕腔室通入氮氣后形成該腔室的微正壓，以起到隔離蒸汽的效果。對于采用迷宮式氮氣軸封裝置的汽輪機，由于牽涉到現(xiàn)場供氣的公用消耗，需要提出氮氣軸封的用氮氣量，一方面用于供氮氣設備的匹配，另一方面也可用于指導現(xiàn)場的用氮氣量調整。

氮氣軸封用氣量的計算方法與軸封漏氣/封氣量的計算方法類似，主要有理論計算法、數(shù)值模擬等。文獻[7]給出了軸封漏氣/封氣系統(tǒng)適用于計算機編程的矩陣形式表示法，并提供了實例計算；另外，根據(jù)現(xiàn)場軸封磨損的情況，采用試驗法得出氮封用氣量[8]。本文基于理想氣體的狀態(tài)方程、連續(xù)性方程和能量方程等，分析了氮氣軸封工作原理和熱力變化過程，給出了該類結構氮封用氣量的一種快速計算方法；并運用數(shù)值模擬計算氮封用氣量，驗證了該類快速計算方法的過程適用性。

1 汽輪機氮氣軸封裝置的結構與工作機理、熱力過程分析

汽輪機氮氣軸承裝置的結構示意圖如圖1所示。

圖1 迷宮式氮氣軸封結構示意圖

氮氣從氮氣密封體4上的接口接入后，直通軸承箱內外隔絕腔室1，進入該腔室的氣體只能從密封齒3與轉子2的間隙流出。通過氣體流量的自平衡，只要能使內外隔絕腔室中的壓力維持在高于大氣壓的水平，就可以保證氣體從軸的兩端流出的效果，從而實現(xiàn)內外環(huán)境的隔絕。

該過程本質上是一個氣體在密封齒間做等焓節(jié)流的過程，而流過的氣體流量在結構確定的情況下，可以通過控制隔絕腔室的壓力來調節(jié)。

在做具體的理論分析時，為簡化理論計算模型，忽略由于各種因素帶來的流體損失，并將氮氣看成理想氣體處理，將整個過程看成一個理想過程[9]。

將以上結構簡化成以下模型，如圖2所示。

圖2 迷宮式密封齒簡化模型示意圖

因理想氣體溫度是焓的唯一變量，等焓過程即等溫過程[10]，即在等焓狀況下：

而對于各節(jié)流孔口，有以下方程：

節(jié)流口狀態(tài)方程：

等熵[1]：

連續(xù)性方程[1]：

能量方程[2]（假設每一級汽封腔充分渦流，孔口前速度為0，焓降完全用于加速）：

2 氮封用氣量的理論公式推導

分析可知，對于以上4個方程，P0為孔前壓力，已知；V0為孔前比容，已知；P1為噴口處壓力，未知；V1為噴口處比容，未知；A為孔口面積（對氮氣軸封來說，為軸封齒間隙環(huán)形面積），已知；c為等熵焓降轉換而來的流速；G為孔口質量流量。

式中：k按理想氣體取1.4。

聯(lián)立方程（1）和方程（6），即可通過解方程組得到P1、P2、P3、…，進而得到維持氮氣隔絕腔室壓力所需要的具體氣體流量G。

3 快速計算方法的實例計算

以下舉一個實際迷宮式氮氣軸封用氣量的快速計算運用實例。

假設有一氮氣密封腔室，腔室兩側各通過兩道密封齒進行密封，根據(jù)上述方程（1）和（6），計算其中一側所需的氣體流量。計算實例簡化示意模型如圖3所示。

圖3 計算實例簡化示意模型

4 數(shù)值模擬與快速計算方法的結果對比分析

對上述實例進行建模分析，模型及其網(wǎng)格劃分如圖4所示，流體計算域采用六面體結構化網(wǎng)格。從圖4中可見，模型為3密封齒結構，密封齒與軸間隙等具體結構數(shù)據(jù)均與理論算例一致。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

邊界條件設定為：

（1）固體域邊界均考慮為絕熱邊界。

（2）流體域，密封氣進入壓力為50 Pa（G），比容為0.83 m3/kg，排氣口背壓為-0.5 kPa（G）。

經(jīng)建模計算，氮氣軸封內部的流線如圖5所示，而其各齒腔的壓力分布情況如圖6所示。

圖5 氮氣軸封內部流線圖

圖6 各齒腔壓力分布圖

通過數(shù)值建模所得到的流量為G=5.8 kg/h。該結果與采用快速計算方法所得到的結果G=6.57 kg/h接近，實際工程應用中預期精度要求＜1 kg/h，該兩者之間的誤差值可接受，當?shù)饨Y構尺寸更大后，誤差在結果中所占比例會下降。另外，通過圖6所示的各齒腔壓力分布，也可以看出與快速計算方法相接近。

5 結語

針對汽輪機迷宮式氮氣軸封，在相同參數(shù)輸入的條件下，本文所研究的氮氣軸封用氣量快速計算方法與數(shù)值模擬結果比較接近，精度上可以滿足工程實際應用的需求。

本文研究的氮氣軸封用氣量快速計算方法有助于指導、理解和分析日常工程中的類似軸封用氣量問題。本文研究的氮氣軸封用氣量快速理論計算方法，將氮氣看作理想氣體，并未考慮諸如由于軸封齒形狀、熱傳導或其他因素所引起的相關損耗，在實際工程計算運用中，讀者可根據(jù)產(chǎn)品設計的結構特點及精度要求等選取系數(shù)進行修正，以得到更符合工程實際的計算結果。