3 MW氦氣輪機的密封設計*

沈存五, 張靖煊

1.上海電氣燃氣輪機有限公司 上海 200240 2.中國科學院上海高等研究院 上海 201210

1 設計背景

某3 MW氦氣輪機是一臺以氦氣為工質的驗證機,用作一套熱功率為10 MW的高效氦氣輪機的發電裝置。該3 MW氦氣輪機采用帶中間冷卻、高回熱度的閉式布雷頓循環,可以獲得較高的熱效率。氦氣是一種惰性氣體,分子量小,易泄漏[1],市場價格較高。從氦氣輪機內部泄漏到大氣中的氦氣越多,經濟損失就越大,因此氦氣泄漏率是氦氣輪機運行經濟性的重要指標之一。密封設計是控制氦氣泄漏率的主要手段,也是氦氣輪機結構設計的難點之一。筆者以該3 MW氦氣輪機為例,從總體和局部兩個方面對氦氣輪機進行密封設計。

2 總體結構

該3 MW氦氣輪機包括低壓壓氣機、高壓壓氣機和透平三個核心部件,設計功率為3.1 MW,設計流量為7.2 kg/s,設計轉速為13 500 r/min,熱力循環設計參數見表1。

表1 3 MW氦氣輪機熱力循環設計參數

氦氣的比熱大約是空氣的5倍,導致氦氣輪機的級數比同等設計參數下空氣輪機的級數更多[2],例如該3 MW氦氣輪機,低壓壓氣機為10級,高壓壓氣機為12級,透平為6級。

高壓壓氣機和透平共用一根轉子,與低壓壓氣機轉子之間通過剛性聯軸器連接。機組為冷端驅動,即轉子在低壓壓氣機端輸出扭矩。

該3 MW氦氣輪機結構如圖1所示。機組總共有四個支承軸承,每根轉子各有兩個支承軸承,所有軸承都采用滑動軸承。出于簡化密封設計的目的,所有軸承都被封裝在外缸的內部,這樣設計的好處是可以顯著減少軸端密封的數量,軸端密封是氦氣泄漏到氣缸外部的主要部位之一。

圖1 3 MW氦氣輪機結構

3 隔板氣封

壓氣機和透平各級隔板氣封的氦氣泄漏屬于內泄漏,即泄漏的氦氣仍然在氦氣輪機內部,不會造成主氦氣回路中氦氣流量的損失。各級隔板氣封可以根據設計要求選用合適的密封結構,常用的密封結構有迷宮式、蜂窩式和刷式等[3]。以3 MW氦氣輪機為例,該機組采用相對簡單的迷宮式密封結構,各級隔板上迷宮式密封的氦氣流量計算值見表2至表4。

表2 低壓壓氣機各級隔板上迷宮式密封氦氣流量

表3 高壓壓氣機各級隔板上迷宮式密封氦氣流量

表4 透平各級隔板上迷宮式密封氦氣流量

4 軸承和主氦氣回路間密封

3 MW氦氣輪機采用滑動軸承,為了防止潤滑油進入主氦氣回路,以及高溫氦氣進入軸承座腔室內部,在軸承與主氦氣回路之間設置了2級或3級迷宮式氣封。密封氦氣被導入密封腔室a、b、c,在迷宮式氣封i、m、n、r處,密封氦氣流過氣封間隙后進入相鄰的軸承座腔室內部,與軸承座腔室內部的油煙混合。煙氣混合物通過回油管道流向潤滑油箱,然后被抽入氦氣油煙分離系統,分離為純凈的氦氣和潤滑油。純凈的氦氣被重新注入主氦氣回路,分離后的潤滑油也被回收利用。在迷宮式氣封j處,密封氦氣流過氣封間隙被導入密封腔室d,與流過迷宮式氣封k處來自主氦氣回路的氦氣混合,然后引入透平排氣管道回收利用。在迷宮式氣封l、q處,密封氦氣流入主氦氣回路。設計工況下軸承與主氦氣回路之間各迷宮式密封的氦氣流量見表5。

表5 設計工況下軸承與主氦氣回路間迷宮式密封氦氣流量

在迷宮式氣封p處,來自主氦氣回路的氦氣流入密封腔室b,與密封氦氣混合,可能使密封腔室b內的氦氣壓力升高,因此需要對密封腔室b內的氦氣壓力進行實時調節和控制。

流入各軸承座內的氦氣流量如果過大,會在回油管道中產生大量氣泡,可能使回油管道發生氣阻,導致回油不暢,使軸承座內部的潤滑油液位升高,甚至溢出至主氦氣回路。通過控制密封腔室a、b、c內的氦氣壓力,使之略大于潤滑油箱內部的氣壓,可以有效防止軸承座內部的油煙倒流入主氦氣回路[4],也可以較為準確地控制流入軸承座內部的氦氣流量。該3 MW氦氣輪機密封腔室內部氦氣壓力被調控至比軸承座內部氦氣壓力大0.005 MPa～0.010 MPa。

5 軸端密封

為了防止氦氣從轉子扭矩輸出端泄漏到機組外部,在前軸承座內部配置了一套浮動油環密封和一套停機密封,兩者分別在機組運行和停機時工作。選用的浮動油環密封在設計上參考了在氫冷發電機上具有成熟應用經驗的密封油系統[5]。停機密封則是一種充氣膨脹密封裝置[6]。運行和停機時軸端密封及潤滑油供給方案如圖2所示。機組運行時,高壓密封油被供入浮動油環密封中,在浮動油環密封與軸頸之間形成壓力油膜,從而將氦氣和空氣隔離。機組停機時,停機密封內部的橡膠密封圈被充入一定壓力的空氣,使橡膠密封圈膨脹后與軸頸緊密貼合,從而將氦氣與空氣隔離。停機密封經過部件試驗,證明密封性能良好。

對于浮動油環密封布置方式的選擇,考慮了兩種方案。

圖2 軸端密封及潤滑油供給方案

第一種方案是將浮動油環布置在軸承與主氦氣回路之間。這種布置方式的優點是主氦氣回路與潤滑油回路相互獨立,對于氦氣的密封設計,只需要考慮主氦氣回路。這種布置方式與氫冷發電機浮動密封油環的布置方式類似,可以在最大程度上借鑒氫冷發電機密封油系統的設計應用經驗[7]。缺點是每根轉子的兩端都需要配置一套浮動油環密封,浮動油環密封的數量較多。對于3 MW氦氣輪機而言,總共需要配置四套浮動油環密封,這將使密封油系統的復雜程度大為提高,同時也增大了轉子的跨距,會對轉子動力學的設計造成不利影響。

第二種方案是將浮動油環布置在軸承外側。這種布置方式的優點是轉子的跨距相對較小,而且外缸采用整體式結構設計后,整臺機組只需要在轉子扭矩輸出端設置一套浮動油環密封即可。缺點是主氦氣回路與潤滑油回路是相互連通的,所有軸承都位于浮動油環的氦氣側,回油管道和潤滑油箱中充滿了高壓氦氣,潤滑油回路也必須納入氦氣密封設計的范圍,承壓設計要求和密封設計要求都更高。從迷宮式氣封流過的氦氣將進入軸承座內腔、回油管道和潤滑油箱,與油煙混合在一起。由于氦氣的價格較高,為節省運行成本,回收利用氦氣非常有必要,因此需要配置一套油氣分離裝置[8],將氦氣和油煙分離并各自回收。分離后的清潔氦氣被重新注入主氦氣回路。

6 外缸法蘭接合面密封

3 MW氦氣輪機的外缸設計為水平中分式結構,外缸法蘭接合面密封結構如圖3所示。在下半缸的法蘭面上加工有密封槽,密封槽中安裝密封條,接合面上還涂有密封膠。兩段外缸之間的垂直法蘭接合面也采用類似的密封結構。作用在機組上的管道作用力和扭矩對外缸法蘭接合面的密封性能會產生影響,因此在設計管道時必須嚴格限制管道對機組的作用力和扭矩。

圖3 外缸法蘭接合面密封結構

機組的透平段設計為雙層缸結構,外缸與透平氣缸之間的隔層腔室引入高壓壓氣機的排氣,對透平內缸內部的高溫氦氣與外缸進行隔離。由于高壓壓氣機的排氣溫度較低,因此如此設計可以確保外缸的溫度處于較低水平。氣缸法蘭接合面上的密封條可以選用非金屬材料,如硅橡膠等。此外,將密封焊作為法蘭接合面密封的備用手段,在現場密封測試結果不達標時采用。

7 結束語

氦氣泄漏率是氦氣輪機運行經濟性的重要指標之一,密封設計是控制氦氣泄漏率的主要手段。氦氣輪機常用的密封結構有迷宮式、蜂窩式和刷式,浮動油環密封和停機密封可以應用于轉子扭矩輸出端的密封,密封條和密封焊常用于外缸法蘭接合面的密封。

筆者對某3 MW氦氣輪機進行了密封設計,包括隔板氣封、軸承與主氦氣回路間密封、軸端密封、外缸法蘭接合面密封等,同時分析了兩種浮動油環密封布置方式的優缺點,為類似設計工程提供參考。