葉頂汽封徑向和軸向間隙對汽輪機泄漏量及主軸位移的影響

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 四川成都 610065；2.貴州赤天化股份有限公司 貴州赤水 564707)

迷宮密封是由一系列節(jié)流齒隙和膨脹腔構(gòu)成的非接觸式密封，由于其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、性能穩(wěn)定可靠、安裝方便與成本低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用在汽輪機、燃?xì)廨啓C、離心壓縮機等大型葉輪機械設(shè)備中。葉輪機械中為避免轉(zhuǎn)子部件與靜止部件發(fā)生摩擦引發(fā)安全問題，通常會在轉(zhuǎn)子和靜子之間留有一定的間隙。實際運行過程中，由于間隙的存在而發(fā)生流體泄漏，降低了機組的運行效率和經(jīng)濟(jì)性能。為了阻止流體泄漏，提高機組的整體效率，在葉輪機中不同部位設(shè)計了汽封。

影響迷宮密封泄漏特性的影響因素很多，如總體結(jié)構(gòu)型式、流體流動特性、間隙尺寸、密封齒數(shù)及其傾斜角度等。目前，主要采用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方式來研究迷宮密封的泄漏特性及其影響規(guī)律。MEYER和LOWRIE[1]采用實驗方法對不同結(jié)構(gòu)的軸向直通迷宮進(jìn)行了研究，并繪制了試驗曲線，為迷宮密封的計算研究提供了有利條件。MOORE[2]用CFD軟件對迷宮密封腔進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了密封腔體內(nèi)流體運動特性，并建立了直通射流剪切應(yīng)力與發(fā)散角的關(guān)系。WITTIG等[3]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子部件靜止時,泄漏量主要與密封幾何結(jié)構(gòu)、壓力比、流體物性、湍流黏度有關(guān)。李志剛、陳堯興、丁學(xué)俊等[4-7]采用數(shù)值模擬與試驗的方法對迷宮密封的泄漏特性進(jìn)行了研究，得出壓比、轉(zhuǎn)速對迷宮密封泄漏特性和腔室壓力的影響規(guī)律。李耕耘[8]對汽輪機內(nèi)迷宮密封的動力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，對直通式、交錯式和高低式3種形式的迷宮密封進(jìn)行了三維建模、定常與非定常計算，得出三者各自的泄漏量、主阻尼和交叉剛度等主要參數(shù)，通過分析迷宮密封內(nèi)部流場云圖，提出凸臺數(shù)和交錯結(jié)構(gòu)個數(shù)對密封穩(wěn)定性的影響規(guī)律。GAMAL和VANCE[9]試驗研究了密封齒形狀、厚度及轉(zhuǎn)子部件偏心率對迷宮密封泄漏特性的影響，結(jié)果表明，對相同的密封裝置和壓力比，增加密封齒厚度會使泄漏量降低10%～20%。LIN等[10]用數(shù)值模擬的方法對交錯迷宮密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從設(shè)計思路上解決了迷宮密封結(jié)構(gòu)對泄漏量的影響問題。周國宇、KONG、PAOLILLO等[11-13]通過數(shù)值模擬研究了高低齒迷宮密封內(nèi)部流場，對比了不同壓力比與轉(zhuǎn)速下密封的泄漏特性，并通過實驗進(jìn)行了驗證。宋占寬等[14]通過CFD軟件對k-ε湍流模型下不同偏心率迷宮密封進(jìn)行數(shù)值研究，分析不同間隙和壓比對偏置迷宮密封泄漏特性的影響，結(jié)果表明：在偏心率不變的情況下，密封泄漏量隨著節(jié)流間隙的增大而增加，隨著壓比的增大而增加，且在高壓比工況下，泄漏量隨偏心率的變化更為顯著。

綜上所述，目前關(guān)于迷宮密封泄漏特性的研究幾乎都是通過理論分析和試驗測試驗證理論相結(jié)合的方法，并未對工程實際存在的泄漏問題提出可行的在線修復(fù)方案。在對汽輪機的日常維護(hù)和故障診斷及檢修過程中，經(jīng)常遇到各種汽封間隙與設(shè)備制造廠家提供的數(shù)據(jù)相差較大，如果嚴(yán)格按照設(shè)備制造廠的要求對汽輪機各部汽封間隙進(jìn)行調(diào)整，不但檢修工期長，備件消耗大，而且有的可能還需要返回廠家進(jìn)行維修，影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此，如果能知道各種汽封間隙對機組的影響程度，檢修過程中就能根據(jù)汽封的磨損程度科學(xué)地進(jìn)行調(diào)整和更換，既能避免發(fā)生設(shè)備故障，又能達(dá)到節(jié)省檢修費用的目的。

本文作者針對某化工廠汽輪機存在的葉頂汽封和主軸軸位移故障，使用ANSYS CFD軟件對汽輪機葉頂汽封建立模型，采用二維模型研究了汽輪機葉頂汽封的徑向間隙和軸向間隙對汽輪機泄漏量及汽輪機主軸位移的影響，提出合理的工作間隙。根據(jù)研究結(jié)果提出汽封在線技改方案，并通過實際運行證明該方案可行性。

1 汽輪機汽封故障分析

1.1 汽輪機主軸位移故障

某化工廠汽輪機設(shè)備全套進(jìn)口于意大利，汽輪機為冷凝式設(shè)計，級間還設(shè)計有抽汽、注汽，汽輪機整體為單缸結(jié)構(gòu)。運行參數(shù)：額定功率8 360 kW，轉(zhuǎn)速7 200 r/min，進(jìn)汽量(設(shè)計)8 700 kg/h，進(jìn)汽壓力(設(shè)計)3.8 MPa(絕)，進(jìn)汽溫度(設(shè)計)365 ℃。該汽輪機級數(shù)多，每一級的汽封尺寸不同，汽封結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于給定的設(shè)備，δ與L為定值，文中δ=5 mm，L=20 mm。

圖1 葉頂汽封局部結(jié)構(gòu)圖

該汽輪機從2011年開始出現(xiàn)軸位移異常增加，2013年2月7日發(fā)現(xiàn)軸位移增加到0.485 mm。緊急停車檢修時，發(fā)現(xiàn)汽輪機推力軸承磨損嚴(yán)重，受力部位均勻磨損接近0.5 mm，而其他部件無任何異常。

1.2 汽輪機主軸位移故障分析

汽輪機工作時，蒸汽流經(jīng)汽輪機做功，一方面推動葉輪旋轉(zhuǎn)做功產(chǎn)生周向力，另一方面由于壓差產(chǎn)生軸向推力。軸向推力的方向由蒸汽流入的高壓側(cè)指向低壓側(cè)，汽輪機每級軸向推力由級動葉片上的軸向推力，以及葉輪輪面上的軸向推力和汽封凸肩上的軸向推力組成[13，15-17]，如圖2所示。

圖2 汽輪機單元結(jié)構(gòu)及軸向受力簡圖

作用在動葉片上的軸向推力為

F1i=G(c1sinα1-c2sinα2)+πdmlbΩm

(1)

式中：c1、c2分別為進(jìn)入和流出動葉的蒸汽絕對速度，m/s；G為流過該級的質(zhì)量流量， kg/s；α1、α2分別為動葉片的進(jìn)汽和排汽相對汽流角；dm為該級動葉的平均直徑，mm；lb為該級動葉葉高，mm；Ωm為該級平均焓降反動度，比壓力反動度要稍大一點，沖動式汽輪機常取0.1～0.5；Δp為作用于該級靜葉前壓力p0和動葉后壓力p2的差，即Δp=p0-p2，MPa。

作用在葉輪兩側(cè)的壓力差產(chǎn)生的軸向力為

(2)

式中：dp為該級動葉處輪轂直徑mm；n為該級葉輪平衡孔個數(shù)；db為該級葉輪平衡孔直徑mm；Ωd為該級葉輪面處反動度，其中Ωd=(pd-p2)/(p0-p2)；pd為該級靜葉后與動葉輪盤前汽室壓，MPa。

軸封凸肩前后壓差引起的軸向力為

(3)

式中：h為該級凸臺平均高度,mm。

根據(jù)以上計算，可求得多級汽輪機任一級的總軸向力為

Fz=F1i+F2i+F3i

(4)

式中：Fz為總軸向力；F1i為動葉片軸向力；F2i葉輪兩側(cè)壓差產(chǎn)生的軸向力；F3i為軸封凸臺壓差產(chǎn)生的軸向力。

根據(jù)對近幾年該機組的檢修情況及故障分析，結(jié)合汽輪機軸向力產(chǎn)生的理論分析，發(fā)現(xiàn)多級汽輪機的葉頂汽封磨損后，汽封泄漏量會顯著增加，同時汽輪機各級級間壓力上升，造成汽輪機軸向力的增大。推力軸承無法平衡過大的軸向推力，逐漸磨損。當(dāng)推力軸承磨損到一定程度后，推力軸承進(jìn)油隙將會被破壞，產(chǎn)生軸位移的突變情況。可見葉頂汽封泄漏量增加會加快軸承的磨損，從而影響到汽輪機主軸位移的變化。因此，判斷汽輪機軸向位移產(chǎn)生是由于該汽輪機葉頂汽封磨損造成的。

對于工程實際問題，汽輪機各部件在真實工況下的受力更加復(fù)雜，使得單純的理論分析無法對故障提供具體的技改措施和修復(fù)方案。目前，采用商業(yè)CFD軟件對汽輪機進(jìn)行流場數(shù)值模擬來分析汽輪機密封性能是一種可行的辦法。因此,本文作者借助FLUENT軟件對汽輪機葉頂汽封內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析軸向間隙與徑向間隙對汽封泄漏量及主軸位移的影響規(guī)律。

2 葉頂汽封流場數(shù)值模擬

2.1 汽封建模與網(wǎng)格劃分

汽輪機葉頂汽封屬于迷宮式密封，由許多密封齒組成，密封齒的設(shè)計較薄，一般在0.25 mm的厚度。相鄰的兩個密封齒之間，由密封齒和轉(zhuǎn)子汽缸構(gòu)成一個密封腔體，當(dāng)蒸汽從高壓側(cè)流向低壓側(cè)通過密封齒隙時，流通面積變小、蒸汽速度增加，同時壓力降低、溫度降低(焓值減少)。當(dāng)蒸汽通過密封齒隙進(jìn)入密封腔體后流通面積突然變大，蒸汽速度降低、壓力開始回升；同時在密封腔中蒸汽不斷發(fā)生碰撞形成渦流，流速降低，蒸汽動能全部轉(zhuǎn)化為熱能，在整個過程中蒸汽的散熱量與氣流的總熱量相比較小，可以忽略，故蒸汽焓值可恢復(fù)到原來的數(shù)值，即視作等焓過程[15]。

文中在數(shù)值計算過程中僅對某一級葉頂汽封結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算，因汽封結(jié)構(gòu)的循環(huán)對稱性，選取汽封環(huán)的循環(huán)對稱面為研究對象進(jìn)行模擬。使用Solidworks軟件建立汽封二維模型，導(dǎo)入GAMBIT軟件中進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點劃分，采用全四邊形網(wǎng)格劃分法。葉頂汽封示意圖及二維模型網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 汽封網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)圖

數(shù)值模擬過程中，網(wǎng)格的劃分質(zhì)量直接關(guān)系到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為保證網(wǎng)格的大小與結(jié)果無關(guān)，選擇徑向間隙值a為0.7 mm，軸向間隙值b為2.75 mm進(jìn)行網(wǎng)格的無關(guān)性檢驗。將模型網(wǎng)格尺寸劃分成0.1、0.05、0.025 mm 3種不同尺寸，相應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為18745、74532、297720。導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行模擬計算，得出不同網(wǎng)格尺寸下的定點出口質(zhì)量流量監(jiān)控，結(jié)果如圖4所示。可看出：3種網(wǎng)格尺寸下收斂速度和最終穩(wěn)態(tài)時間相似，綜合考慮計算精度與計算時間，采用網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為74532 的網(wǎng)格模型。

圖4 不同網(wǎng)格尺寸下的出口質(zhì)量流量監(jiān)控圖

將模擬流體定性為二維可壓縮流體，計算區(qū)域邊界條件采用presure-inlet與presure-outlet，具體參數(shù)如表1所示。當(dāng)研究徑向間隙a變化對汽封泄漏的影響時，模擬過程中取軸向間隙b為固定值2.75 mm，徑向間隙a分別取0.7、1.3、1.9、2.5、3.1 mm進(jìn)行模擬計算。

表1 邊界參數(shù)值

根據(jù)FLUENT軟件的計算，得出當(dāng)b=2.75 mm時，不同徑向間隙下，葉頂汽封流場的速度分布如圖5所示。

圖5 不同徑向間隙下葉頂汽封速度分布云圖

分析圖5中各種幾何尺寸下汽封的速度分布云圖，可得出徑向間隙值a對葉頂汽封的影響有如下特點：

(1)蒸汽在通過汽封齒隙的位置時速度明顯增加，在壓力差的推動下，蒸汽由高壓側(cè)向低壓側(cè)流動，在汽封齒位置流通面積變小，所以速度明顯增加，此時蒸汽壓力能轉(zhuǎn)化為動能；同時溫度降低(熱焓值減少)。當(dāng)徑向間隙a由0.7 mm遞增到3.1 mm時，可以看出對應(yīng)出口的速度由小變大；徑向間隙a越小，汽封齒隙的節(jié)流效應(yīng)越明顯。故徑向間隙a是非常重要的設(shè)計參數(shù)，它關(guān)系到汽輪機汽封泄漏率的大小。

(2)蒸汽進(jìn)入汽封迷宮腔室后，隨著流通面積的增大，速度能逐漸減小，蒸汽產(chǎn)生了回流和渦流現(xiàn)象，這是因為當(dāng)氣體以高速進(jìn)入兩齒之間的環(huán)形腔室Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ時,體積突然膨脹產(chǎn)生強烈旋渦，渦流摩擦的結(jié)果使汽流的絕大部分動能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能又被腔室中的汽流吸收而溫度升高，熱焓又恢復(fù)到接近進(jìn)入間隙前的值。因此，氣體通過迷宮的過程，接近等焓熵增過程。

(3)隨著徑向間隙a的增加，產(chǎn)生回流和渦流的現(xiàn)象逐漸減弱，表明動能轉(zhuǎn)換為熱能的熱力學(xué)過程進(jìn)行不充分，壓力下降不夠，表現(xiàn)為迷宮密封變差，泄漏增加。在考慮零部件熱膨脹的前提下，徑向間隙值a設(shè)計得越小，迷宮密封的泄漏率越小。

葉頂汽封徑向間隙a越小汽封的密封效果就越好；但徑向間隙值a太小時，轉(zhuǎn)子運行過程中由于存在制造偏差、轉(zhuǎn)子彎曲、圍帶變形、轉(zhuǎn)子熱膨脹等因素的影響，容易造成轉(zhuǎn)子部件與缸體靜止部件的摩擦而損壞轉(zhuǎn)子，故將汽輪機的徑向間隙控制在設(shè)計值范圍0.65～0.75 mm。

2.2.2 不同軸向間隙的模擬

根據(jù)上述方法，研究軸向間隙值b變化對汽封泄漏的影響時。模擬過程中取徑向間隙a=0.75 mm，在總長度L不變的情況下，軸向間隙b分別取0.75、1.75、2.75、3.75、4.75 mm，采用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計算，得到不同軸向間隙下葉頂汽封流場的速度云圖如圖6所示。

圖6 不同軸向間隙下葉頂汽封速度分布云圖

分析圖6的汽封速度云圖，可得出軸向間隙b值對葉頂汽封的影響規(guī)律有以下特點：

(1)在總長度L不變的前提下，葉頂汽封軸向間隙值b的改變，其速度云圖的變化較小；隨著軸向間隙b的增加，蒸汽泄漏稍有減小，隨后泄漏又增加，因此應(yīng)盡量控制軸向間隙b的變化范圍。為了防止轉(zhuǎn)子由于熱膨脹、軸向串動發(fā)生軸向摩擦，將軸向間隙值b控制在設(shè)計值范圍1～3.5 mm。

(2)隨著軸向間隙值b的增加，漩渦主要集中在Ⅱ、Ⅲ腔體內(nèi)且相似，但整體上II腔體較Ⅲ腔體漩渦多且速度大，因為隨著汽封軸向間隙b的增加，在第Ⅱ區(qū)域的空間逐漸增加，氣體動能耗散更加充分，速度能充分轉(zhuǎn)化為壓力能，所以速度降更快得到了調(diào)節(jié)，在進(jìn)入第Ⅲ區(qū)域后則剛好相反。

2.3 在線修復(fù)方案與技改

根據(jù)研究結(jié)果提出對葉頂汽封的在線修復(fù)方案：葉頂汽封徑向間隙a=0.65 mm，軸向間隙b=3.5 mm。對方案實施前后的軸位移實時監(jiān)測趨勢圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的汽輪機運行良好，軸向位移始終維持在±0.2 mm，低于廠家規(guī)定的位移量(Δδ<±1.0 mm)，說明技改方案是可行的，驗證了研究結(jié)論的正確性。

3 結(jié)論

(1)由數(shù)值模擬可知：蒸汽在進(jìn)入葉頂汽封齒隙時速度能會增加，進(jìn)入汽封腔室后，蒸汽的速度能降低，蒸汽產(chǎn)生回流和渦流現(xiàn)象。葉頂汽封的徑向間隙值a越大，蒸汽在汽封中產(chǎn)生回流與渦流的現(xiàn)象就越少，迷宮密封的節(jié)流效應(yīng)降低，泄漏增加；葉頂汽封徑向間隙a越小，通過不斷的回流與渦流降速增壓，使葉頂汽封前后的壓差變小，蒸汽在葉頂汽封中的泄漏降低。

(2)葉頂汽封的徑向間隙a是影響機組效率的重要因素，徑向間隙增大將導(dǎo)致汽封前后的壓差增加，蒸汽的泄漏量增加，汽輪機的級間壓力升高，汽輪機的級效率降低，汽輪機運行時的軸向推力增加，軸向推力增加到一定程度會導(dǎo)致推力軸承磨損，軸位移增加。因此，在滿足機組動靜部件不發(fā)生摩擦的情況下，將葉頂汽封的徑向間隙控制在設(shè)計下限，有利于提高機組的效率與降低機組運行的軸向推力。

(3)在總長度L為定值時，汽輪機葉頂汽封的軸向間隙b對機組蒸汽的泄漏影響不大，適當(dāng)?shù)丶哟筝S向間隙有利于提高蒸汽進(jìn)入汽封時的平穩(wěn)性。

(4)技改實踐證明，總長度L為定值時，減小葉頂汽封徑向間隙a，加大軸向間隙b對減小汽輪機軸向推力和降低泄漏量有明顯效果。