張孟麗 江錦波，， 彭旭東 洪 軍 許永利 郭中外

（1. 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 浙江杭州 310014； 2. 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710049；3. 浙江申發(fā)軸瓦股份有限公司 浙江紹興 311800）

熱力發(fā)電是我國(guó)主要的發(fā)電方式， 而采用燃煤、石油、 天然氣、 核燃料等產(chǎn)生蒸汽進(jìn)而利用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電則是熱力發(fā)電的主要型式。 汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)一般采用汽輪機(jī)、 發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)依次同軸布置， 并通過(guò)油潤(rùn)滑軸承多點(diǎn)支承。 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在各種損耗， 這些損耗轉(zhuǎn)化為熱能并使發(fā)電機(jī)各部分組件的溫度升高， 采用有效的冷卻技術(shù)成為控制發(fā)電機(jī)溫升、 提高發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的必要措施。 因氫氣具有通風(fēng)損耗小、 傳熱能力強(qiáng)和不易氧化不助燃等顯著優(yōu)點(diǎn)， 而成為汽輪發(fā)電機(jī)的首選冷卻介質(zhì)。 目前汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)多采用水氫氫冷卻方式， 即定子繞組水內(nèi)冷、 轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷和轉(zhuǎn)子鐵芯氫外冷。 然而氫氣作為一種易燃易爆介質(zhì)， 如何保證氫氣不外漏、 維持氫氣純度和降低耗氫量成為制約汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。

發(fā)電機(jī)在汽端和勵(lì)端各設(shè)有一套油潤(rùn)滑軸承以支承發(fā)電機(jī)軸， 而在滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油腔與氫冷電機(jī)腔之間設(shè)有浮動(dòng)環(huán)密封瓦和油擋， 以避免氫氣外漏和電機(jī)腔進(jìn)油（見(jiàn)圖1）。 密封油系統(tǒng)的密封原理為： 通過(guò)在浮動(dòng)環(huán)密封瓦中通入壓力高于電機(jī)腔內(nèi)氫壓的密封油， 一股流向氫氣側(cè)形成氫側(cè)回油， 一股流向空氣側(cè)形成空側(cè)回油， 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)氫氣不外漏和外部空氣不侵入， 再通過(guò)精準(zhǔn)控制密封油壓力、 溫度和流量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“以油封氣”； 同時(shí)， 密封油系統(tǒng)還起著潤(rùn)滑、 冷卻密封瓦和轉(zhuǎn)軸的作用， 以避免密封瓦溫升過(guò)高和保證密封瓦與轉(zhuǎn)軸之間良好的油膜潤(rùn)滑。

圖1 氫冷汽輪發(fā)電機(jī)及其軸端密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Hydrogen cooled steam turbine generator and its shaft end sealing structure

從密封瓦間隙進(jìn)入回油箱的氫側(cè)回油由于擴(kuò)容作用， 一方面要釋放出油中的空氣、 水分等雜質(zhì)氣體并進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)， 導(dǎo)致機(jī)內(nèi)氫氣純度下降； 當(dāng)氫氣純度小于96%時(shí)就必須排出低純度的混合氣體并補(bǔ)充高于排出量幾十倍體積的純氫， 這是造成頻繁補(bǔ)氫、 耗氫量大的主要原因。 另一方面氫側(cè)回油又要吸收機(jī)內(nèi)氫氣并隨油帶走， 這也增加了氫氣耗量。 當(dāng)機(jī)內(nèi)氫壓不變時(shí)， 氫氣純度每降低1%， 通風(fēng)摩擦損耗增加約11%[1］。 如當(dāng)一臺(tái)900 MW 的氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度從98%降至95%時(shí)， 通風(fēng)損耗增加32%， 相當(dāng)于損失685 kW。 因此， 減少因氫側(cè)回油中雜質(zhì)氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)腔而造成高耗氫、 頻繁補(bǔ)氫的功能性失效成為氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)和油路設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的因素。 轉(zhuǎn)軸在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的軸向振動(dòng)、 角向撓曲和熱脹冷縮， 以及密封瓦的熱力變形和浮動(dòng)卡澀等因素， 均會(huì)造成密封瓦烏金面與轉(zhuǎn)軸碰摩， 進(jìn)而可能引起振動(dòng)失穩(wěn)、 磨損過(guò)度和溫升過(guò)高等結(jié)構(gòu)性失效，這是目前氫冷發(fā)電機(jī)出現(xiàn)重大安全事故和非計(jì)劃停車維修的主要原因之一。 良好的密封瓦結(jié)構(gòu)浮動(dòng)性是避免密封瓦與轉(zhuǎn)軸碰摩以及降低密封瓦溫升的關(guān)鍵所在。

早在20 世紀(jì)三四十年代， 美國(guó)、 蘇聯(lián)和日本等國(guó)家就成功開(kāi)發(fā)出氫冷汽輪發(fā)電機(jī)油密封系統(tǒng)， 并申請(qǐng)了相關(guān)專利。 為實(shí)現(xiàn)低耗氫、 強(qiáng)追隨的運(yùn)行目標(biāo)，盤式密封瓦、 經(jīng)典環(huán)式密封瓦和包括碳環(huán)密封、 刷式密封在內(nèi)的先進(jìn)環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)和密封油系統(tǒng)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到成功應(yīng)用。 近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)關(guān)于氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦的失效案例分析和技術(shù)改造公開(kāi)報(bào)道很多， 但對(duì)各類氫冷發(fā)電機(jī)浮動(dòng)環(huán)密封瓦結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)缺乏系統(tǒng)總結(jié)。 本文作者從盤式密封瓦、 經(jīng)典環(huán)式密封瓦和先進(jìn)環(huán)式密封瓦三類典型的氫冷發(fā)電機(jī)浮動(dòng)環(huán)密封瓦結(jié)構(gòu)及其密封油系統(tǒng)出發(fā)， 歸納并對(duì)比分析了各類密封瓦的結(jié)構(gòu)原理及性能特點(diǎn)， 以降低耗氫量和提高浮動(dòng)性為設(shè)計(jì)目標(biāo)， 探討了近80 年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出的氫冷發(fā)電機(jī)浮動(dòng)環(huán)密封瓦創(chuàng)新方案和應(yīng)用效果， 旨在為我國(guó)氫冷發(fā)電機(jī)軸端密封的技術(shù)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 盤式密封瓦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能演化

1.1 盤式密封瓦工作原理及性能特點(diǎn)

早期很多前蘇聯(lián)制造的氫冷發(fā)電機(jī)大多采用盤式密封瓦。 圖2 所示為一種典型的盤式密封瓦結(jié)構(gòu)。 盤式密封瓦的主體包括固定于轉(zhuǎn)軸并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的推力盤和浮動(dòng)安裝于靜止殼體上的密封瓦， 兩者組成一對(duì)端面密封副， 其中密封副內(nèi)徑為氫側(cè)， 外徑側(cè)為空側(cè)。推力盤端面為光滑表面， 密封瓦表面開(kāi)設(shè)有動(dòng)靜壓溝槽或楔形面結(jié)構(gòu)， 用于在推力盤旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生顯著的流體動(dòng)靜壓承載力， 進(jìn)而在密封瓦與推力盤端面之間形成一層油膜以實(shí)現(xiàn)全液膜潤(rùn)滑。 為了避免密封端面發(fā)生碰摩時(shí)對(duì)推力盤端面造成嚴(yán)重磨損， 一般在密封瓦基體的表面澆鑄一層自潤(rùn)滑性優(yōu)良的烏金層。 密封瓦的背部設(shè)有壓力油腔， 該油腔與密封端面之間通過(guò)進(jìn)油孔相連通， 且密封瓦與靜止殼體之間設(shè)有輔助密封圈以形成封閉油腔； 在密封瓦背部與靜止安裝座之間一般還設(shè)有彈性元件或輔助油腔， 用于對(duì)密封瓦提供輔助閉合力。

圖2 典型的盤式密封瓦結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural of typical disc sealing ring

當(dāng)盤式密封瓦工作時(shí)， 壓力油腔內(nèi)的帶壓潤(rùn)滑油從進(jìn)油孔進(jìn)入密封間隙后分成兩股， 一股向外徑側(cè)流動(dòng)進(jìn)入空側(cè)形成空側(cè)回油， 另一股向內(nèi)徑側(cè)流動(dòng)進(jìn)入氫側(cè)形成氫側(cè)回油。 由于空側(cè)壓力顯著低于氫側(cè)壓力， 故潤(rùn)滑油與空側(cè)之間的油空壓差較油氫壓差更低。 在更大壓差和離心力的共同作用下， 空側(cè)回油量顯著大于氫側(cè)回油量。 如對(duì)于一臺(tái)軸徑為280 mm、氫壓為0.2 MPa 的盤式密封瓦， 試驗(yàn)測(cè)得氫側(cè)回油量為2.14 L／min， 而空側(cè)回油量達(dá)到60 L／min[2］。 當(dāng)推力盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 其通過(guò)密封瓦端面的流體動(dòng)靜壓溝槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的流體膜承載力， 從而將密封瓦推開(kāi)后在兩密封端面之間形成一層厚度為0.07～0.15 mm 的潤(rùn)滑油膜。 值得注意的是， 該流體膜承載力依賴于轉(zhuǎn)速， 當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)， 流體膜承載力較小， 此時(shí)油膜厚度變薄， 甚至?xí)霈F(xiàn)半干摩擦狀態(tài)。

由于盤式密封瓦的氫側(cè)回油量很小， 這使得當(dāng)氫側(cè)回油與氫氣接觸時(shí)通過(guò)溶解帶走的氫氣量和通過(guò)擴(kuò)容作用向氫氣腔內(nèi)析出的雜質(zhì)氣體量都很小， 進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)較低的耗氫量， 同時(shí)還可取消真空凈油設(shè)備， 簡(jiǎn)化供油系統(tǒng)[2］。 另一方面， 盤式密封瓦作為一種端面密封， 其對(duì)密封瓦烏金面和推力盤端面的粗糙度、 平面度加工精度要求很高， 有時(shí)為了使軸出現(xiàn)撓曲時(shí)密封瓦能緊貼推力盤表面， 還需將烏金面加工成球面，而氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦的徑向尺寸往往較大， 這給密封副的精密加工與裝配帶來(lái)困難， 且發(fā)生磨損失效后修復(fù)難度極大； 同時(shí)， 轉(zhuǎn)軸在運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)軸向竄動(dòng)、 角向偏擺和熱脹冷縮， 由于密封油膜厚度很薄， 極易造成密封端面的接觸碰摩甚至燒瓦，這對(duì)密封瓦的浮動(dòng)性提出了很高的要求。 鑒于此， 目前在氫冷發(fā)電機(jī)中的盤式密封瓦已逐漸被環(huán)式密封瓦所取代。

1.2 盤式密封瓦結(jié)構(gòu)功能演化

由于盤式密封瓦較小氫側(cè)回油量所帶來(lái)耗氫量少的特點(diǎn)， 對(duì)盤式密封瓦的結(jié)構(gòu)改進(jìn)一般通過(guò)改善密封瓦浮動(dòng)性和形成全油膜潤(rùn)滑以避免端面接觸碰摩為主要目標(biāo)， 而良好的密封瓦軸向力平衡設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵所在。 圖3 所示為盤式密封瓦的軸向受力分析示意圖。 密封瓦端面受流體膜承載力F1， 該作用力可推開(kāi)密封瓦以使其形成流體膜， 故可稱為開(kāi)啟力Fo。 密封瓦背面受壓力油腔的油壓主作用力F21（該作用力是壓力油腔內(nèi)密封瓦前后受壓面上的合力）， 由彈性元件或輔助油腔提供的輔助作用力F22，氫側(cè)氣壓作用力F23， 這3 個(gè)作用力統(tǒng)稱為閉合力Fc。 在此基礎(chǔ)上， 盤式密封瓦還受到輔助密封圈摩擦力Ff， 該作用力對(duì)密封瓦的浮動(dòng)性影響顯著。

圖3 盤式密封瓦的軸向受力分析示意Fig.3 Schematic of axial stress analysis of disc sealing ring

根據(jù)產(chǎn)生油壓主作用力F21方式不同， 盤式密封瓦可分為正壓式、 反壓式和穩(wěn)壓式3 種結(jié)構(gòu)[3］， 如圖4 所示。 當(dāng)前受壓面的面積大于后受壓面時(shí)， 此時(shí)油壓主作用力隨氫壓和油壓的提高而提高， 稱為正壓式密封瓦（見(jiàn)圖4 （a） ）。 隨著氫壓提高， 正壓式密封瓦的閉合力迅速增加， 密封面比壓提高， 端面磨損加大且溫度升高， 故其僅適用于較低氫壓下運(yùn)行。 當(dāng)前受壓面的面積小于后受壓面時(shí)， 此時(shí)油壓主作用力隨氫壓和油壓的提高而減小， 也即油壓主作用力表現(xiàn)為開(kāi)啟力， 稱為反壓式密封瓦（見(jiàn)圖4 （b） ）。 反壓式密封瓦目前應(yīng)用較少。 當(dāng)前后受壓面的面積相等時(shí)， 油壓主作用力與油壓無(wú)關(guān)且始終為0， 稱為穩(wěn)壓式密封瓦（見(jiàn)圖4 （c） ）。 這種密封瓦能在不同氫壓條件下始終保持恒定的軸向力平衡， 避免油壓對(duì)密封瓦的附加推力， 可用于氫壓較高的機(jī)組。

圖4 3 種不同油壓主作用力的盤式密封結(jié)構(gòu)Fig.4 Three disc sealing structures with different oil pressure main forces： （a） positive pressure type； （b） negative pressure type； （c） stable pressure type

根據(jù)產(chǎn)生輔助作用力F22的方式不同， 盤式密封瓦可分為彈簧式和液壓式2 種結(jié)構(gòu)。 對(duì)于彈簧式密封瓦， 由于彈簧一旦安裝后不易調(diào)節(jié)， 故在高氫壓作用下容易出現(xiàn)密封比壓過(guò)大、 瓦溫過(guò)高的情況。 圖5 所示為一種典型的液壓式密封瓦結(jié)構(gòu)。 液壓式密封瓦在壓力油腔的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)輔助油腔， 其閉合力主要由輔助油腔壓力提供， 而壓力油腔內(nèi)的密封油并不會(huì)對(duì)密封瓦產(chǎn)生額外的軸向力， 這種結(jié)構(gòu)原理與小孔節(jié)流靜壓推力軸承或端面密封是非常類似的[4-5］。 液壓式密封瓦的主要優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)改變輔助油腔內(nèi)的油液壓力以在線調(diào)控密封瓦的間隙進(jìn)而調(diào)控回油量；同時(shí)還可通過(guò)輔助油腔和烏金上專用冷卻孔的組合設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)密封瓦端面冷卻， 達(dá)到控制瓦溫的目的， 故其具有更佳的性能， 成為盤式密封瓦的優(yōu)選方案。

圖5 液壓式密封瓦結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structural of hydraulic sealing ring

密封瓦烏金面結(jié)構(gòu)和進(jìn)出口壓力對(duì)密封面流體膜承載力F1具有重要影響。 根據(jù)密封副數(shù)量和密封端面結(jié)構(gòu)不同， 可分為單端面動(dòng)靜壓型結(jié)構(gòu)[6］、 雙端面靜壓型結(jié)構(gòu)[7］和雙端面動(dòng)壓型結(jié)構(gòu)[8］， 如圖6 所示。單端面動(dòng)靜壓型結(jié)構(gòu)是最為常見(jiàn)的一種盤式密封瓦結(jié)構(gòu)， 其只有一對(duì)密封副， 且在密封瓦烏金面上加工有流體動(dòng)靜壓結(jié)構(gòu)。 單端面動(dòng)靜壓型密封瓦的一種典型的端面結(jié)構(gòu)為在進(jìn)油孔附近徑向位置處設(shè)有環(huán)形溝槽以使周向壓力均勻分布， 在環(huán)形槽與端面外徑之間設(shè)有非貫通徑向槽和楔形承載面， 其中徑向槽可將環(huán)形槽中的潤(rùn)滑油引入楔形承載面， 而楔形承載面所形成的楔形間隙可在推力盤旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生流體動(dòng)壓承載力以提高流體膜承載力[9-10］。 通過(guò)改變進(jìn)油孔徑向位置和優(yōu)化楔形承載面結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)密封端面流體膜壓力分布的有效調(diào)控， 設(shè)計(jì)原則是以額定轉(zhuǎn)速下的高承載為目標(biāo)， 同時(shí)在低轉(zhuǎn)速時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)油壓以避免出現(xiàn)半干摩擦狀態(tài)。

圖6 3 種不同密封副對(duì)數(shù)和端面結(jié)構(gòu)的盤式密封瓦Fig.6 Three disc sealing pads with different pairs of sealing pairs and end face structures： （a） single end surface dynamic and static pressure type； （b） double end surface static pressure type； （c） double end surface dynamic pressure type

雙端面靜壓型結(jié)構(gòu)在推力盤的兩側(cè)各設(shè)有一對(duì)對(duì)稱布置的密封副， 密封瓦都浮動(dòng)安裝于靜止殼體上，密封副的外徑側(cè)為壓力油腔， 內(nèi)徑側(cè)為空側(cè)或氫側(cè)。壓力油腔通過(guò)進(jìn)油孔與密封瓦端面環(huán)形溝槽相連通，環(huán)形溝槽外側(cè)端面間隙較大以形成較大的回油量， 進(jìn)而充分潤(rùn)滑和冷卻密封端面； 環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)端面間隙較小以控制氫側(cè)和空側(cè)回油量， 工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明其具有很小的回油量， 且能有效隔絕空氣和氫氣。 與雙端面靜壓型結(jié)構(gòu)不同的是， 雙端面動(dòng)壓型密封瓦在密封瓦烏金面或推力盤端面開(kāi)設(shè)有與壓力油腔相連通的動(dòng)壓槽， 通過(guò)推力盤旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的黏性剪切作用而產(chǎn)生動(dòng)壓承載力。 不過(guò)其流體膜承載力在轉(zhuǎn)速很低時(shí)較小， 容易出現(xiàn)密封面碰摩， 故目前只停留在專利階段， 在工程中未見(jiàn)應(yīng)用。

2 經(jīng)典浮動(dòng)環(huán)式密封瓦

環(huán)式密封瓦作為目前氫冷汽輪發(fā)電機(jī)軸端密封的優(yōu)選方案， 其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 安裝方便、 適應(yīng)寬氫壓工況和轉(zhuǎn)軸振動(dòng)能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)。 環(huán)式密封瓦的密封面由轉(zhuǎn)軸外表面和安裝于靜止殼體的密封瓦內(nèi)表面組成， 兩者之間具有一定的徑向間隙以適應(yīng)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)、 熱脹冷縮和密封瓦變形等引起的間隙變化， 同時(shí)在密封瓦內(nèi)表面澆鑄有自潤(rùn)滑烏金層以降低碰摩時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)軸的損傷。 與盤式密封瓦原理類似， 一定壓力的潤(rùn)滑油通過(guò)進(jìn)油孔進(jìn)入密封間隙， 一部分沿軸向往空側(cè)流動(dòng)形成空側(cè)回油， 另一部分沿軸向往氫側(cè)流動(dòng)形成氫側(cè)回油。 為實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油對(duì)電機(jī)腔內(nèi)氫氣的可靠密封， 一般潤(rùn)滑油入口壓力較氫壓高出0.06 ～0.08 MPa。 相較于盤式密封瓦， 由于環(huán)式密封瓦的密封間隙成倍增加， 導(dǎo)致其回油量和耗氫量顯著提高， 因此如何降低耗氫量和避免密封瓦振動(dòng)碰摩是環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)和油路改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)驅(qū)動(dòng)力。

2.1 環(huán)式密封瓦基本結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)環(huán)式密封瓦與靜止殼體的安裝方式不同， 環(huán)式密封瓦可分為固定靜子型（稱為固環(huán)式） 和浮動(dòng)靜子型（稱為浮環(huán)式）[11］。 由于固環(huán)式密封瓦無(wú)法在油膜中自由浮動(dòng)， 轉(zhuǎn)軸與密封瓦碰磨后會(huì)引起密封間隙的逐漸增大， 進(jìn)而導(dǎo)致回流量增加和氫氣純度下降等問(wèn)題， 其逐漸被具有良好浮動(dòng)性的浮環(huán)式密封瓦所替代。 浮環(huán)密封瓦是靠密封環(huán)與轉(zhuǎn)軸間的極小間隙限制泄漏的一種新型非接觸式動(dòng)密封裝置[12］， 這種密封瓦與支承軸承剛性連接， 且密封瓦內(nèi)表面大多為光滑面[13］， 也可為迷宮面[14］或阻尼型孔面[15-16］以強(qiáng)化對(duì)氫側(cè)和空側(cè)回油的阻流作用。

單流環(huán)密封油系統(tǒng)、 雙流環(huán)密封油系統(tǒng)和三流環(huán)密封油系統(tǒng)是目前氫冷發(fā)電機(jī)中常用的3 種浮動(dòng)環(huán)式密封油系統(tǒng)[17-18］， 如圖7 所示。 單流環(huán)密封油系統(tǒng)早在20 世紀(jì)30 年代就由美國(guó)GE 公司在氫冷發(fā)電機(jī)軸端密封中得到成功應(yīng)用， 如圖7 （a） 所示。 其工作原理為： 密封油先經(jīng)過(guò)密封油泵增壓， 再分別通過(guò)換熱器調(diào)溫、 過(guò)濾裝置除去油中顆粒雜質(zhì)和壓差閥調(diào)壓后進(jìn)入密封瓦間隙（其中壓差閥用于保證密封油與氫壓之間保持恒定壓差）； 密封瓦中的氫側(cè)回油吸收氫氣和析出空氣后進(jìn)入氫側(cè)回油箱， 空側(cè)回油由排煙風(fēng)機(jī)抽出油中的空氣和氫氣后一部分返回汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)， 另一部分回流至真空油箱， 通過(guò)抽真空裝置進(jìn)一步將油中析出的空氣抽出以避免其大量進(jìn)入氫側(cè)回油， 密封油從真空油箱進(jìn)入密封油泵入口后完成整個(gè)循環(huán)。 單流環(huán)密封油系統(tǒng)的空側(cè)回油和氫側(cè)回油共用一套進(jìn)油系統(tǒng)， 因而系統(tǒng)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行操作方便， 但一旦真空裝置失效容易使得氫側(cè)回油中雜質(zhì)氣體含量過(guò)高， 進(jìn)而導(dǎo)致氫氣純度下降快、 補(bǔ)氫量大[19］。

圖7 單流環(huán)、 雙流環(huán)和三流環(huán)密封油系統(tǒng)及密封瓦結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of single flow ring （a）， double flow ring （b）and three flow ring （c） sealing oil system and sealing ring

雙流環(huán)密封油系統(tǒng)是美國(guó)WH 公司的專利產(chǎn)品[20］， 如圖7 （b） 所示。 其工作原理為氫側(cè)油路和空側(cè)油路獨(dú)立運(yùn)行， 其中氫側(cè)油路形成閉式循環(huán)， 氫側(cè)回油先進(jìn)入氫側(cè)回油箱， 后經(jīng)密封油泵、 換熱器、過(guò)濾裝置和空氫側(cè)平衡閥后進(jìn)入密封瓦； 另外氫側(cè)回油箱和空側(cè)回油箱之間可通過(guò)補(bǔ)油和排油裝置實(shí)現(xiàn)密封油交流。 該結(jié)構(gòu)的平衡閥用于保證空側(cè)和氫側(cè)油壓之差穩(wěn)定在±500 Pa 以減少密封油竄流， 故平衡閥精度對(duì)空側(cè)和氫側(cè)竄流量影響顯著。 為了從源頭隔絕空側(cè)和氫側(cè)密封油之間的竄流， 在雙流環(huán)密封油系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出三流環(huán)密封油系統(tǒng)， 如圖7 （c） 所示。三流環(huán)密封油系統(tǒng)在空側(cè)油路和氫側(cè)油路之間增加了一路經(jīng)過(guò)真空處理的真空油路[21］， 其中真空油壓與氫側(cè)油壓近似相等且大于空側(cè)油壓， 從而避免了空側(cè)和氫側(cè)竄流。 但該結(jié)構(gòu)也因增加真空油路使得密封油系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。

對(duì)于雙流環(huán)密封油系統(tǒng)， 當(dāng)其氫側(cè)回路停止運(yùn)行時(shí)即可轉(zhuǎn)化為典型的單流環(huán)密封油系統(tǒng)， 不過(guò)因密封油系統(tǒng)中沒(méi)有真空處理裝置， 長(zhǎng)時(shí)間的空側(cè)油路獨(dú)立運(yùn)行會(huì)使得大量雜質(zhì)氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)腔內(nèi)而導(dǎo)致氫氣純度下降過(guò)快， 故只允許空側(cè)油路短暫獨(dú)立運(yùn)行。 對(duì)于三流環(huán)密封油系統(tǒng)， 當(dāng)真空油路停止運(yùn)行后即可轉(zhuǎn)化為雙流環(huán)密封油系統(tǒng)。

2.2 基于提高浮動(dòng)性的環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)演變

環(huán)式密封瓦發(fā)生接觸碰摩進(jìn)而引發(fā)的密封面磨損過(guò)度、 溫升過(guò)高和振動(dòng)失穩(wěn)是造成密封瓦結(jié)構(gòu)性失效的主要原因， 而要保證密封瓦在徑向的良好浮動(dòng)性有賴于合理的密封瓦徑向力平衡設(shè)計(jì)。 圖8 和圖9 所示分別為環(huán)式密封瓦的軸向截面和周向截面受力分析圖。 對(duì)于采用螺栓固緊的整體式密封瓦， 在重力G作用下， 密封瓦下沉并造成偏心密封間隙， 進(jìn)而產(chǎn)生沿周向不均勻分布的流體膜壓力p1， 而密封瓦外表面受到沿周向均勻分布的密封油壓力p2。 對(duì)上述壓力沿周向積分即可分別獲得作用于密封瓦內(nèi)表面和外表面的流體作用力F1和F2， 其中流體膜承載力F1會(huì)隨著密封間隙的變化而改變， 而F2一般為0。 由于氫側(cè)和空側(cè)壓力不同而對(duì)密封瓦產(chǎn)生軸向力Fz， 使其一側(cè)端面與安裝座壁面貼緊， 進(jìn)而在其徑向浮動(dòng)時(shí)產(chǎn)生徑向摩擦力Ff。 對(duì)于采用彈簧箍緊的分瓣式密封瓦， 其外表面還受到彈簧箍緊力F3， 且重力G和彈簧箍緊力F3共同決定了密封瓦非工作狀態(tài)下與轉(zhuǎn)軸的同心問(wèn)題。 為改善環(huán)式密封瓦的徑向浮動(dòng)性， 減小阻礙密封瓦浮動(dòng)的徑向摩擦力Ff、 提高浮起密封瓦的流體膜承載力F1和改善非工作狀態(tài)下密封瓦與轉(zhuǎn)軸同心問(wèn)題是重點(diǎn)方向。

圖8 環(huán)式密封瓦軸向截面受力分析Fig.8 Stress analysis of axial section of sealing ring

圖9 環(huán)式密封瓦周向截面受力分析Fig.9 Stress analysis of circumferential section of sealing ring： （a） without balance oil circuit； （b） with external balance oil circuit

減小因密封瓦兩側(cè)端面壓力不等所造成的軸向力Fz是減小徑向摩擦力、 避免密封瓦卡澀的有效方法。環(huán)式密封瓦軸向力平衡可分為外加壓平衡和自加壓平衡2 種。 對(duì)于外加壓平衡方案， 通過(guò)在密封瓦空側(cè)端面引入浮動(dòng)油路（見(jiàn)圖9 （b） ）， 利用浮動(dòng)油壓以平衡由于較高氫壓引起的軸向力是目前GE 公司、WH 公司常用的軸向力平衡方法[22］。 其還可通過(guò)改變浮動(dòng)油壓以外置調(diào)節(jié)軸向力， 提高其對(duì)不同氫壓工況的適應(yīng)能力。 圖10 所示為環(huán)式密封瓦自加壓平衡軸向力方案示意圖。 為避免因增加浮動(dòng)油路而引起的系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題， 可通過(guò)改變空側(cè)進(jìn)油位置或出油位置而實(shí)現(xiàn)軸向力自平衡。 對(duì)于雙流環(huán)密封瓦， 通過(guò)將空側(cè)進(jìn)油位置由徑向進(jìn)油改為側(cè)邊進(jìn)油 （見(jiàn)圖10 （a））， 從而使空側(cè)油室兼起著平衡油室作用， 其他結(jié)構(gòu)與外加浮動(dòng)油路方案相同。 這種方案雖然可以簡(jiǎn)化油路系統(tǒng)， 不過(guò)因其空側(cè)油壓需與氫壓保持恒定的差值而可調(diào)性較差。 對(duì)于單流環(huán)密封瓦， 可將密封進(jìn)油在密封瓦內(nèi)分為兩股出流（見(jiàn)圖10 （b） ）， 一股流向密封間隙后再分別形成空側(cè)回油和氫側(cè)回油，另一股流向空側(cè)端面間隙形成側(cè)向回油， 并通過(guò)空側(cè)端面結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改變空側(cè)端面油壓分布， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸向力平衡[23］。 西門子公司還提出一種在浮動(dòng)油路出口與密封瓦空側(cè)端面之間增設(shè)U 形密封圈的方案（見(jiàn)圖10 （c） ）[24］， 其優(yōu)勢(shì)在于： 一是引入壓力較高的密封進(jìn)油至側(cè)向端面以減小軸向力不平衡， 且浮動(dòng)油路與壓力油腔相連通以避免復(fù)雜的外加油路系統(tǒng)； 二是將密封瓦空側(cè)端面與安裝座端面的直接接觸改為其與密封圈接觸， 摩擦因數(shù)顯著降低； 三是隔絕了密封進(jìn)油直接通過(guò)側(cè)邊端面間隙泄漏至空側(cè)的通道， 減少回油量。

圖10 環(huán)式密封瓦自加壓軸向力平衡方案示意Fig.10 Schematic of axial force balance scheme of sealing ring：（a） changing the oil inlet position； （b） changing the oil outlet position； （c） adding side auxiliary seal

提高密封瓦內(nèi)表面的流體膜承載力（或稱為浮升力） 是改善密封瓦浮動(dòng)性、 保持密封間隙穩(wěn)定的有效措施。 經(jīng)典的環(huán)式密封瓦內(nèi)表面為光滑表面， 其主要通過(guò)初始偏心間隙和轉(zhuǎn)軸振動(dòng)時(shí)所形成的楔形油膜間隙以產(chǎn)生動(dòng)壓承載力， 進(jìn)而將密封瓦浮起以避免接觸碰摩， 但該承載力往往較弱。 胡啟龍、 CORDINER等[25-26］提出在密封瓦內(nèi)表面開(kāi)設(shè)軸向淺槽， 利用轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)淺槽產(chǎn)生的階梯動(dòng)壓效應(yīng)以形成局部高壓，數(shù)值分析結(jié)果表明， 其動(dòng)壓承載力顯著高于光滑面的情況。 沈梁偉[9］提出一種在密封瓦氫側(cè)內(nèi)表面開(kāi)設(shè)包括軸向靜壓引流槽和周向動(dòng)壓楔形面的動(dòng)靜壓結(jié)構(gòu)，與圖6 （a） 所示的盤式密封瓦端面結(jié)構(gòu)類似， 利用其在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)強(qiáng)化流體動(dòng)壓效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)流體膜承載力的顯著提高， 有利于在發(fā)電機(jī)反復(fù)啟停時(shí)烏金面和轉(zhuǎn)軸表面不磨損。 目前在柱面氣膜密封中已得到成功應(yīng)用的螺旋槽動(dòng)壓結(jié)構(gòu)在強(qiáng)化動(dòng)壓效應(yīng)和增穩(wěn)抑振特性方面表現(xiàn)優(yōu)異[27-28］， 其未來(lái)也有望應(yīng)用于環(huán)式密封瓦中以實(shí)現(xiàn)流體膜承載力的大幅提高。

由于密封瓦自重所造成的初始偏心間隙一方面會(huì)導(dǎo)致空側(cè)和氫側(cè)回油量增加， 另一方面也會(huì)增大密封瓦與轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰摩的概率， 如何平衡密封瓦自重以減小初始狀態(tài)時(shí)密封瓦與轉(zhuǎn)軸的同軸度值得關(guān)注。 對(duì)于整體式密封瓦， 官永勝等[29］提出一種通過(guò)在密封瓦與靜止殼體之間的下部徑向空間內(nèi)增設(shè)彈性片以支撐密封瓦的方案， 平衡密封瓦自重進(jìn)而提高密封同心度。 對(duì)于分瓣式密封瓦， 又可分為兩瓣式和四瓣式結(jié)構(gòu)， 通過(guò)兩條半周布置的圓周彈簧將分瓣密封瓦箍緊， 彈簧兩端通過(guò)銷釘固定， 圓周彈簧的拉力一方面將各瓦塊沿周向緊密貼合， 避免結(jié)合面處的油液泄漏， 另一方面可部分平衡密封瓦自重， 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與密封瓦的良好同心[30-33］。 進(jìn)一步， 為避免密封瓦浮動(dòng)過(guò)程中各瓣密封瓦結(jié)合面處的潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)， 提出了在結(jié)合面處設(shè)計(jì)嵌入式結(jié)構(gòu)的方案[34］。 相較于分瓣式密封瓦， 整體式密封瓦的半徑間隙相對(duì)固定， 可避免轉(zhuǎn)軸狀態(tài)突變時(shí)密封瓦徑向間隙突變而導(dǎo)致的密封瓦回油量突增問(wèn)題。

2.3 基于降低耗氫量的環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)演變

環(huán)式密封瓦的氫側(cè)回油量相較于盤式密封瓦顯著增加， 導(dǎo)致發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫頻繁、 耗氫量大， 保證氫氣純度、 降低耗氫量是提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的必然要求， 也是環(huán)式密封瓦結(jié)構(gòu)系統(tǒng)改進(jìn)的主要目標(biāo)。 氫氣純度下降的主要原因是氫側(cè)回油中含有的空氣、 水分等雜質(zhì)氣體在回油箱中通過(guò)擴(kuò)容作用析出并進(jìn)入發(fā)電機(jī)腔， 故其主要與氫側(cè)回油量大、 氫側(cè)回油雜質(zhì)氣體含量高有關(guān)。 由此可見(jiàn)， 降低氫側(cè)回油量和減少氫側(cè)回油雜質(zhì)氣體含量是降低環(huán)式密封瓦耗氫量的兩個(gè)主要方向。

圖11 所示分別為通過(guò)氫側(cè)油路改進(jìn)和氫側(cè)密封瓦面結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減少氫側(cè)回油量的方案。 在油路改進(jìn)方案中， 許文君和王玉富[35］提出了一種結(jié)構(gòu)與雙流環(huán)密封瓦相同， 而油路設(shè)計(jì)則借鑒盤式密封瓦的新型單流環(huán)密封瓦： 靠近空側(cè)的密封瓦進(jìn)油分為三股回油， 一股為氫側(cè)回油， 一股為空側(cè)回油， 另一股則為中間回油， 并在中間回油管路上安裝控制閥以調(diào)節(jié)出油壓力， 如此可減少氫側(cè)回油量， 同時(shí)也可降低氫側(cè)密封瓦溫升。 試驗(yàn)測(cè)試表明， 增設(shè)中間回油的密封瓦氫側(cè)回油量從14.6 L／min 降至1.5 L／min， 氫側(cè)瓦溫從47.5 ℃降至42.5 ℃。 在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案中， 許文君等[3］通過(guò)在氫側(cè)瓦面上開(kāi)設(shè)錐形面、 環(huán)形阻流槽或阻流泡結(jié)構(gòu)， 進(jìn)而改變氫側(cè)密封油壓力分布， 實(shí)現(xiàn)氫側(cè)回油量的減少。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 在氫側(cè)瓦面開(kāi)設(shè)錐形面的密封瓦可實(shí)現(xiàn)將氫側(cè)回油量從39 L／min 降至15 L／min。

圖11 環(huán)式密封瓦減少氫側(cè)回油量方案示意Fig.11 Schematic of the scheme for reducing oil return on the hydrogen side of sealing ring： （a） improvement scheme of hydrogen side sealing oil circuit；（b） optimization scheme of hydrogen side pad structure

對(duì)氫側(cè)回油進(jìn)行真空處理或?qū)ξ龀鰵怏w進(jìn)行連續(xù)換氣處理， 以及將氫側(cè)油路設(shè)計(jì)成獨(dú)立循環(huán)油路是降低氫側(cè)回油雜質(zhì)氣體含量的兩種有效方法。 現(xiàn)有的單流環(huán)密封瓦系統(tǒng)一般會(huì)將潤(rùn)滑油先經(jīng)過(guò)真空處理以盡可能除去油中的空氣和水分[36］， 從而避免氫側(cè)回油向電機(jī)腔內(nèi)釋放雜質(zhì)氣體， 不過(guò)這種方案需要增加一套真空處理系統(tǒng)。 美國(guó)GE 公司提出一種連續(xù)換氣法[37］， 即通過(guò)在氫側(cè)回油箱與油擋之間的環(huán)形空間外增設(shè)連續(xù)換氣系統(tǒng)以連續(xù)排出一定數(shù)量的被污染低純度氣體， 同時(shí)向機(jī)內(nèi)持續(xù)補(bǔ)充新鮮氫氣， 且環(huán)形空間內(nèi)的氣壓低于氫壓， 可避免環(huán)形空間內(nèi)的雜質(zhì)氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)腔。 該方法經(jīng)幾十臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)踐， 證明可使發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度和濕度達(dá)到與真空處理近似的效果。

通過(guò)將氫側(cè)油路和空側(cè)油路設(shè)計(jì)成兩股獨(dú)立油路而開(kāi)發(fā)出雙流環(huán)密封瓦密封油系統(tǒng)， 理論上可實(shí)現(xiàn)氫側(cè)回油雜質(zhì)氣體含量的顯著減少。 不過(guò)空側(cè)油路和氫側(cè)油路并非完全獨(dú)立， 兩者可通過(guò)密封瓦空氫側(cè)間隙和密封油箱補(bǔ)排油操作發(fā)生互竄； 當(dāng)氫側(cè)油向空側(cè)油竄流時(shí)會(huì)造成氫氣消耗， 而空側(cè)油向氫側(cè)油竄流時(shí)則會(huì)造成電機(jī)腔雜質(zhì)氣體含量升高， 兩者作用的共同結(jié)果都是使氫氣純度下降、 補(bǔ)氫量增加。 為減少雙流環(huán)密封瓦間隙處的空氫側(cè)密封油竄流， 可采用“封阻、疏導(dǎo)、 隔絕” 3 種方案。

封阻方案是通過(guò)在空氫側(cè)之間的密封瓦內(nèi)表面開(kāi)設(shè)環(huán)形阻流槽[38］以增加密封油竄流時(shí)的流阻， 或采用高精度空氫平衡閥以盡可能減小空氫側(cè)油壓以降低竄流驅(qū)動(dòng)力， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空氫側(cè)密封油竄流量的控制。不過(guò)當(dāng)空氫側(cè)密封油完全沒(méi)有竄流時(shí)， 會(huì)使得密封瓦間隙中部形成流動(dòng)死區(qū)， 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大量黏性剪切熱和攪拌熱無(wú)法及時(shí)散出而產(chǎn)生局部高溫[39］， 這種沿軸向的不均勻溫度分布會(huì)引起轉(zhuǎn)軸熱彎曲和密封瓦變形， 進(jìn)而導(dǎo)致碰摩事故發(fā)生， 這也是目前經(jīng)典雙流環(huán)密封瓦所亟待解決的問(wèn)題。 疏導(dǎo)方案是通過(guò)使氫側(cè)密封油壓始終略高于空側(cè)油壓， 使得密封瓦間隙處氫側(cè)油向空側(cè)流動(dòng)， 再通過(guò)空側(cè)油箱向氫側(cè)油箱補(bǔ)油以維持氫側(cè)閉式循環(huán)回路的油量平衡； 在氫側(cè)密封油箱補(bǔ)油管路上裝設(shè)基于薄膜蒸發(fā)原理的濾油機(jī)對(duì)竄油不斷進(jìn)行提純， 進(jìn)而可提取并去除密封油中溶解的空氣等雜質(zhì)氣體， 實(shí)現(xiàn)氫氣純度的提高[40］， 該方法經(jīng)工程實(shí)踐證明可使發(fā)電機(jī)腔內(nèi)氫氣純度始終維持在98.6%以上。 隔絕方案是在雙流環(huán)密封油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增設(shè)一路經(jīng)過(guò)真空處理的真空油路[41-42］， 如此可從源頭上避免空側(cè)和氫側(cè)密封油的竄流， 不過(guò)因需要增加一套真空油路， 使得密封油系統(tǒng)和操作都變得更加復(fù)雜。

3 先進(jìn)浮動(dòng)環(huán)式密封瓦

隨著氫冷發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷提高和對(duì)耗氫量控制要求的日趨嚴(yán)格， 現(xiàn)有盤式密封瓦和經(jīng)典環(huán)式密封瓦在使用過(guò)程中的耗氫量大、 發(fā)電機(jī)進(jìn)油、 密封瓦磨損和密封油系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。 20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始， 航空航天設(shè)備中在嚴(yán)苛工況下仍能表現(xiàn)出優(yōu)異性能的環(huán)式密封技術(shù)受到了氫冷發(fā)電機(jī)及其密封系統(tǒng)生產(chǎn)商的高度重視， 并與航空密封供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)了可適用于氫冷發(fā)電機(jī)軸端密封的分段碳環(huán)密封、 刷式密封等先進(jìn)浮動(dòng)環(huán)式密封技術(shù)， 為解決發(fā)電機(jī)氫密封系統(tǒng)中的密封瓦磨損、 發(fā)電機(jī)進(jìn)油和耗氫量過(guò)大等3 個(gè)主要問(wèn)題提供了新的思路， 并得到工程應(yīng)用驗(yàn)證[43］。

3.1 分段碳環(huán)密封技術(shù)

分段碳環(huán)密封技術(shù)[44-45］最早應(yīng)用于美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承腔的滑油密封中， 其中密封環(huán)的一側(cè)為滑油， 另一側(cè)為空氣， 隨后逐漸應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵系統(tǒng)中。 根據(jù)主密封面是否開(kāi)設(shè)動(dòng)壓槽， 分段碳環(huán)密封可分為無(wú)動(dòng)壓槽和帶動(dòng)壓槽兩種結(jié)構(gòu)。 一種典型的動(dòng)壓型分段碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)如圖12 所示[46］。多瓣碳環(huán)密封通過(guò)圓周螺旋彈簧在徑向箍緊， 并保持各分段密封接頭處緊密貼合； 碳環(huán)密封的主密封面為內(nèi)徑表面， 次密封面為低壓側(cè)端面， 在高壓側(cè)端面與安裝殼體端面之間設(shè)有軸向彈簧， 用以將碳環(huán)密封壓向低壓側(cè)并使次密封面與安裝端面緊貼實(shí)現(xiàn)密封。 主密封面上設(shè)有周向靜壓槽、 起著引流作用的軸向靜壓槽和用于產(chǎn)生流體動(dòng)壓力的瑞利臺(tái)階槽， 當(dāng)處于非工作狀態(tài)下， 在圓周彈簧的徑向作用力下， 主密封面與轉(zhuǎn)軸表面保持緊貼以實(shí)現(xiàn)停車密封； 當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后，其可將密封油通過(guò)靜壓槽帶入動(dòng)壓淺槽內(nèi)， 利用動(dòng)壓淺槽的階梯動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生流體動(dòng)壓承載力， 進(jìn)而將碳環(huán)密封浮起以實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)行。 次密封面設(shè)有泄壓槽以平衡高壓側(cè)介質(zhì)壓力和軸向彈簧力， 避免端面比壓過(guò)大而影響徑向浮動(dòng)性， 同時(shí)也可改善碳環(huán)密封的熱力變形。

圖12 航空航天設(shè)備用分瓣式石墨圓周密封結(jié)構(gòu)示意[46］Fig.12 Structure of split graphite circumferential seal for aerospaceequipment[46］： （a） sectional circumferential seal；（b） single sectional ring； （c） groove type ofmain sealing surface； （d） fluid film

圖13 和圖14 所示分別為用于氫冷發(fā)電機(jī)軸端的分段碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)實(shí)物圖和受力分析圖。 在空側(cè)和氫側(cè)各設(shè)有一套分段碳環(huán)密封[47-48］， 分別用于實(shí)現(xiàn)空側(cè)和氫側(cè)的密封， 兩者之間為進(jìn)油腔， 進(jìn)油壓力較氫壓略高。 碳環(huán)密封的外柱面與安裝座之間設(shè)有徑向布置的螺旋彈簧以提供徑向力， 并使碳環(huán)密封在非工作狀態(tài)下與轉(zhuǎn)軸保持緊貼； 碳環(huán)密封進(jìn)油腔端面設(shè)有軸向彈簧， 并在該軸向彈簧作用下壓向輔助環(huán)， 輔助環(huán)端面具有很好的平面度和粗糙度以減小其與碳環(huán)密封端面摩擦， 保持良好的徑向浮動(dòng)性。 氫側(cè)和空側(cè)碳環(huán)密封的主密封面結(jié)構(gòu)有所差異， 這是由氫側(cè)和空側(cè)密封不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)所決定的。 對(duì)于氫側(cè)碳環(huán)密封， 需要嚴(yán)格控制氫側(cè)回油量， 故在靠近氫側(cè)設(shè)有環(huán)形槽和軸向槽組合而成的瑞利臺(tái)階結(jié)構(gòu)， 其在轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生空化抽吸效應(yīng)[49-50］， 進(jìn)而顯著減小氫側(cè)回油量，這也是該新型密封能實(shí)現(xiàn)氫側(cè)回油量顯著降低的關(guān)鍵所在。 為提高流體膜承載力， 在進(jìn)油側(cè)設(shè)有軸向引流槽和楔形動(dòng)壓槽， 利用轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力以實(shí)現(xiàn)密封的非接觸運(yùn)行。 對(duì)于空側(cè)碳環(huán)密封， 由于空側(cè)壓力較低， 其主要目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)更大的流體膜承載力： 通過(guò)更密集分布的軸向引流槽將高壓密封油引入密封間隙， 其通過(guò)流體動(dòng)力袋時(shí)壓力不斷增大， 并在流體動(dòng)力袋末端達(dá)到壓力峰值， 從而使密封面整體的壓力分布都較高。 實(shí)際上， 氫側(cè)回油量的有效控制在一定程度上就能很好地解決發(fā)電機(jī)進(jìn)油和耗氫量過(guò)大的問(wèn)題。

圖13 氫冷發(fā)電機(jī)用分段碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)及其實(shí)物Fig.13 Sectional carbon ring seal structure （a） and physical physical object （b） for hydrogen cooled generator

圖14 氫側(cè)和空側(cè)分段碳環(huán)密封受力分析示意Fig.14 Schematic of stress analysis of sectional carbon ring seal on hydrogen side （a） and air side （b）

目前該新型密封油系統(tǒng)已經(jīng)在西門子公司的多臺(tái)發(fā)電機(jī)組中成功應(yīng)用， 且試驗(yàn)效果良好。 氫冷發(fā)電機(jī)用新型分段碳環(huán)密封與常規(guī)雙流環(huán)密封瓦的回油量測(cè)試結(jié)果表明， 新型分段碳環(huán)密封的氫側(cè)回油量和空側(cè)回油量都只有常規(guī)環(huán)式密封瓦的1／10 （見(jiàn)圖15）， 達(dá)到了盤式密封瓦的回油量水平。

圖15 分段碳環(huán)密封與常規(guī)環(huán)式密封回油量對(duì)比[51-52］Fig.15 Comparison of oil return between sectional carbon ring seal and conventional ring seal[51-52］

3.2 其他先進(jìn)環(huán)式密封技術(shù)

刷式密封憑借其優(yōu)良的密封性能在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中得到廣泛應(yīng)用[53］。 刷式密封通過(guò)前后夾板將刷絲束固緊并使其貼于轉(zhuǎn)軸表面以實(shí)現(xiàn)密封， 其中刷絲束是由緊密排列的刷絲層疊排列而成， 刷絲束排列方向與轉(zhuǎn)軸半徑成一角度以允許轉(zhuǎn)軸的徑向變形和偏心運(yùn)行， 多孔介質(zhì)滲透率系數(shù)是刷絲束多孔介質(zhì)中通過(guò)流體能力的表征參數(shù)[54］。 在傳統(tǒng)浮動(dòng)環(huán)密封瓦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)在密封瓦內(nèi)鑲嵌安裝刷絲束而開(kāi)發(fā)出浮動(dòng)刷式組合環(huán)式密封， 成為氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方向。 美國(guó)GE 公司提出一種氫冷發(fā)電機(jī)用柔性刷式密封[55-56］， 在常規(guī)單流環(huán)密封瓦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上， 其分別在氫側(cè)和空側(cè)密封瓦內(nèi)表面嵌入刷絲束， 從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)回油量的顯著降低。 在此基礎(chǔ)上， GE 公司提出一種柔性磁刷密封結(jié)構(gòu)[57］， 刷式密封是由磁性橡膠柔性材料制成， 使密封能夠自由彎曲變形以適應(yīng)不同尺寸和工況的密封環(huán)境。 不過(guò)上述密封技術(shù)還在開(kāi)發(fā)階段， 尚未見(jiàn)實(shí)際工程應(yīng)用案例。

4 結(jié)論與展望

氫冷汽輪發(fā)電機(jī)是目前熱力發(fā)電中的主流機(jī)型，如何實(shí)現(xiàn)氫冷電機(jī)腔內(nèi)作為高效冷卻介質(zhì)且易燃易爆的氫氣可靠密封和高純度一直是氫冷發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中的核心技術(shù)問(wèn)題。 近八十多年來(lái)， 在降低耗氫量、 減少密封磨損和避免發(fā)電機(jī)進(jìn)油等需求的驅(qū)動(dòng)下， 國(guó)內(nèi)外研究單位和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出系列化的氫冷發(fā)電機(jī)密封新結(jié)構(gòu)和新系統(tǒng)。 值得注意的是， 國(guó)外公司和研究人員已圍繞氫冷發(fā)電機(jī)密封申請(qǐng)了大量的發(fā)明專利并已然形成了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)圈， 這對(duì)于我國(guó)未來(lái)自主研發(fā)氫冷發(fā)電機(jī)密封技術(shù)帶來(lái)了一定的技術(shù)壁壘。 國(guó)內(nèi)對(duì)于氫冷發(fā)電機(jī)浮動(dòng)環(huán)密封瓦的技術(shù)研究和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新相對(duì)較少， 而對(duì)現(xiàn)役氫冷發(fā)電機(jī)常用的單流環(huán)和雙流環(huán)密封系統(tǒng)失效分析和技術(shù)探討較多。 為了進(jìn)一步提高氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性， 推動(dòng)我國(guó)氫冷發(fā)電機(jī)密封新結(jié)構(gòu)、 新系統(tǒng)和新技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展， 還需重點(diǎn)從以下3 個(gè)方面開(kāi)展工作：

（1） 針對(duì)我國(guó)現(xiàn)役氫冷發(fā)電機(jī)常用的單流環(huán)、雙流環(huán)和三流環(huán)密封油系統(tǒng)， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面， 可通過(guò)在密封瓦內(nèi)表面開(kāi)設(shè)阻流降壓結(jié)構(gòu)以增大密封油流動(dòng)阻力或開(kāi)設(shè)流體動(dòng)壓結(jié)構(gòu)以增大密封瓦浮升力， 進(jìn)而降低氫側(cè)回油量和改善密封瓦浮動(dòng)性， 達(dá)到減少耗氫量、 避免密封碰摩的目的， 不過(guò)這有賴于密封油流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬技術(shù)和端表面微結(jié)構(gòu)超精密加工技術(shù)的發(fā)展。 在油路設(shè)計(jì)方面， 可通過(guò)密封油路的改進(jìn)設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化密封油系統(tǒng)和便捷實(shí)現(xiàn)密封油參數(shù)在線在位調(diào)節(jié)， 提高密封運(yùn)行的可控性。

（2） 分段碳環(huán)密封、 刷式密封和柔性箔板／箔片密封等先進(jìn)的航空航天密封技術(shù)在氫冷發(fā)電機(jī)軸端密封中應(yīng)用的可行性和必要性應(yīng)得到進(jìn)一步重視。 考慮到上述密封在運(yùn)行過(guò)程中涉及密封油流動(dòng)傳熱、 密封瓦熱力變形、 柔性密封面大變形、 轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)激勵(lì)和密封副浮動(dòng)響應(yīng)等復(fù)雜的熱流固動(dòng)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，亟待建立氫冷發(fā)電機(jī)先進(jìn)環(huán)式密封的多物理場(chǎng)耦合分析模型， 揭示密封瓦運(yùn)行過(guò)程中溫升、 變形、 振動(dòng)、摩擦、 磨損與密封間隙之間的交互影響規(guī)律， 提出氫冷發(fā)電機(jī)先進(jìn)密封設(shè)計(jì)理論與方法。

（3） 關(guān)注先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法學(xué)在氫冷發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 以降低耗氫量、 避免發(fā)電機(jī)進(jìn)油和減少密封磨損為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)， 綜合運(yùn)用發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）、 工程仿生學(xué)理論或智能優(yōu)化算法等， 實(shí)現(xiàn)密封瓦結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和多目標(biāo)、 多參數(shù)、 多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)。