刷式汽封性能試驗分析

田朝陽 孔祥林 周偉久

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

刷式汽封性能試驗分析

田朝陽 孔祥林 周偉久

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

刷式汽封是近年發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]， 并允許動靜之間瞬態嚴重不同心而保持密封能力不變，既提高了機組效率，又改善了轉子的穩定性，是現代透平機械發展的關鍵技術之一。為了研究刷式汽封的密封效果，對刷式汽封和傳統迷宮汽封進行性能對比試驗，試驗結果表明刷式汽封漏氣量較小，性能較好，但對制造加工工藝要求較高。

刷式汽封；透平機械；性能試驗；加工工藝

0 引言

密封問題的設計研究在科學和技術領域有非常重要的意義，對汽輪機、燃氣輪機以及航空和航天發動機等透平機械的設計尤為重要。

汽封是大型旋轉機械中用來密封高壓汽體泄漏的必要部件，汽輪機級內，由于各級前后存在較大的壓差，在隔板和主軸的間隙處，以及動葉頂部與汽缸間隙處存在漏氣。另外，在汽輪機的汽缸兩端主軸穿出汽缸處，蒸汽也會從動靜間隙處向外泄漏，這些都會增加漏氣損失，使汽輪機的效率降低，為提高機組效率，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生節流與熱力效應而達到密封效果。

傳統迷宮式汽封是一種非接觸式剛性密封，間隙較小，汽封齒會在和轉子碰磨后很快磨損，而且還會因為兩個剛體碰磨而帶來安全問題。另外，由于結構限制，傳統迷宮汽封在實際運行中并不能完全保證設計間隙，由于機組起到過臨界，異常的振動超差，甚至由于運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組效率[2]。

刷式汽封是一種柔性密封，它能適應轉子的瞬間徑向變形或偏心運動，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙，同時由于增加了轉子振動阻力，還有利于改善轉子的穩定性。由于刷式汽封較好的密封效果，在國外已得到廣泛應用，在航空發動機領域，刷式汽封的應用已超過10年； 在工業燃氣輪機領域， 世界幾大知名企業也均在其產品中采用了刷式密封[3]。

1 刷式汽封工作原理

圖1 刷式汽封結構簡圖

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金屬絲組成的刷毛束構成，如圖1所示。刷絲沿轉子旋轉方向有一定的傾角，這樣每根細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子的徑向偏移，并且很容易恢復閉合狀態，保證優越的密封性，即使短暫與轉子過盈接觸也不會像迷宮式汽封一樣出現永久性的磨損。

刷式汽封內流動形態與迷宮式汽封有較大的區別，由于刷毛束的多孔介質特性，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，氣體進入刷毛束中就變得不均勻了，一部分經過多孔介質刷毛束滲流進入下一腔室，另一部分形成回流在腔室內構成一個較大的旋渦流，將氣流的動能轉化為熱能。由于刷毛束破壞了流動而確保流動的不均勻性，使流體產生了自密封效應，泄漏的氣流經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，同時使泄漏流動的阻力增大，從而使泄漏隨壓比的增加梯度降低。

多孔介質內流動相對于非多孔介質流動要受到附加的流體與刷絲束表面間摩擦阻力的作用。多孔介質的滲透率系數是多孔介質通過流體能力的表征參數。牛頓流體通過多孔介質的速度和壓降可由 Darcy 定律給出[4]。

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

式 （1）是僅考慮了粘性阻力效應的線性化的Darcian 多孔介質模型。 針對刷式密封，發展了考慮粘性阻力和內部阻力的壓降計算公式，見式（2）

其中， ai是三個正交方向的粘性阻力系數， bi是三個正交方向的內部阻力系數。

式 （2）簡化為式 （3）：

其中， ai和 βi分別表示內部阻力和粘性阻力。已知 ai和 βi可以計算多孔介質的滲透率系數 Ki。

2 試驗方法

刷式汽封和傳統迷宮式汽封試驗在汽封試驗臺進行，汽封試驗臺系統如圖2所示。試驗臺最大試驗壓比可達 1.8， 最高轉速達6000r/min。 試驗時通過進氣調節閥和放空閥調節進氣壓力。氣體經渦輪流量計進入汽封試驗臺筒體，而汽封間隙是筒體的唯一出口，所以渦輪流量計所測流量即為通過汽封間隙實際泄漏的體積流量，再通過所測壓力、溫度計算氣體密度即可得到質量流量。

圖2 汽封試驗臺系統

3 汽封試驗及結果分析

試驗針對刷式汽封和迷宮式汽封做性能對比試驗，包括變速試驗和變壓比試驗，兩試驗在不同安裝間隙下進行多次，變速試驗時，壓比為1.4， 轉速變化范圍 0～3000r/min； 變壓比試驗時，轉速穩定在 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

根據試驗結果，刷式汽封相比傳統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速的升高泄漏量均有所減小，說明轉子旋轉使氣流產生了切向分速度，使得氣流在汽封腔室產生周向漩渦，干擾了氣流的正常流動，從而減小汽封泄漏量，但泄漏量的減小幅度不大；根據圖5可知，在同一轉速下做變壓比試驗，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，當壓比到達一定程度時，泄漏量會隨壓比的升高出現明顯的下降。試驗結束后，部分刷絲有磨損現象，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金屬絲，按一定方向排列的刷毛束被釬焊在左右兩側的圓環上，后面板與刷絲自由端的距離以及刷毛束焊接強度對刷絲的剛度均有重要的影響。在壓比增大時，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，當壓比大到一定程度時，刷毛兩側壓差較大，刷絲的排列角度會增加發生變形，刷毛束與轉子的徑向間隙減小，隨著壓比的增大泄漏量不增反減，壓差較大時，刷絲會和轉子發生過盈接觸從而產生永久性磨損。因此，刷式汽封雖然密封效果較好，但對刷絲焊接強度等均有較高的要求。另外，不同的刷式汽封生產完成后均有其最佳適用范圍。

由試驗還得知，間隙是影響汽封泄漏量最關鍵的因素，如果汽封間隙無法嚴格控制到位，任何汽封結構的優化和改進都將失去意義。

4 結語

通過本文對刷式汽封及迷宮式汽封試驗結果的分析，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，也就是說其質量特性的正態規律不嚴格，不同批次的刷式汽封其適用范圍可能會略有不同。因此，刷式汽封能夠起到較好的密封作用，但對其加工工藝要求也有較高的要求。

[1] 何立冬,袁新.刷式密封研究的進展[J].中國電機工程學報, 2001,21(12):28-3253

[2] 魏琳健,李春清,高雷,寇丹.汽輪機密封技術的應用和發展.熱能動力工程 ［J］,2005,20(5):455-458,549

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

[4] 黃學民,史偉,王洪銘.刷式密封中泄漏流動的多孔介質數值模型[J].航空動力學報,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， 畢業于華中科技大學， 工學學士， 助理工程師， 從事氣動試驗研究工作。