汽輪機(jī)迷宮式氮?dú)廨S封用氣量的快速計(jì)算方法研究

強(qiáng) 華 李 健 卞志偉 張興濤 黃明根

（杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州 310022）

0 引言

汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)主要作用是減少轉(zhuǎn)子與軸承間的摩擦損失，并通過潤(rùn)滑油的流動(dòng)帶走摩擦產(chǎn)生的熱量和轉(zhuǎn)子傳出的熱量[1]。為使汽輪機(jī)潤(rùn)滑油回油順暢，汽輪機(jī)軸承座腔室一般保持微負(fù)壓狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致軸承座腔室對(duì)汽封漏汽產(chǎn)生抽吸作用[2]，蒸汽被吸入軸承座腔室導(dǎo)致潤(rùn)滑油油質(zhì)變差[3]。若潤(rùn)滑油水分含量偏高，容易造成油質(zhì)乳化、抗泡沫性能變差、生成有機(jī)酸等，從而產(chǎn)生油乳化物及油泥，影響潤(rùn)滑油的通流能力、冷卻效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞軸系形成的油膜，引起動(dòng)靜部位摩擦、局部過熱及機(jī)組異常振動(dòng)等，嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。雖然通過不斷改進(jìn)汽輪機(jī)的軸封結(jié)構(gòu)[4]，可以減少汽封漏汽量，但隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，軸封漏汽量不可避免地會(huì)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(jī)的軸承座腔室內(nèi)竄入高溫蒸汽，在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，通常考慮在軸承座靠近蒸汽密封一側(cè)通入稀有氣體（如氮?dú)狻⒏稍锏膲嚎s空氣等）作為隔離氣[5-6]，以對(duì)軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)起到保護(hù)作用。本文研究的汽輪機(jī)氮?dú)廨S封為迷宮式結(jié)構(gòu)，通過幾道密封齒在隔絕腔室通入氮?dú)夂笮纬稍撉皇业奈⒄龎海云鸬礁綦x蒸汽的效果。對(duì)于采用迷宮式氮?dú)廨S封裝置的汽輪機(jī)，由于牽涉到現(xiàn)場(chǎng)供氣的公用消耗，需要提出氮?dú)廨S封的用氮?dú)饬浚环矫嬗糜诠┑獨(dú)庠O(shè)備的匹配，另一方面也可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的用氮?dú)饬空{(diào)整。

氮?dú)廨S封用氣量的計(jì)算方法與軸封漏氣/封氣量的計(jì)算方法類似，主要有理論計(jì)算法、數(shù)值模擬等。文獻(xiàn)[7]給出了軸封漏氣/封氣系統(tǒng)適用于計(jì)算機(jī)編程的矩陣形式表示法，并提供了實(shí)例計(jì)算；另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軸封磨損的情況，采用試驗(yàn)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?dú)廨S封工作原理和熱力變化過程，給出了該類結(jié)構(gòu)氮封用氣量的一種快速計(jì)算方法；并運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算氮封用氣量，驗(yàn)證了該類快速計(jì)算方法的過程適用性。

1 汽輪機(jī)氮?dú)廨S封裝置的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理、熱力過程分析

汽輪機(jī)氮?dú)廨S承裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 迷宮式氮?dú)廨S封結(jié)構(gòu)示意圖

氮?dú)鈴牡獨(dú)饷芊怏w4上的接口接入后，直通軸承箱內(nèi)外隔絕腔室1，進(jìn)入該腔室的氣體只能從密封齒3與轉(zhuǎn)子2的間隙流出。通過氣體流量的自平衡，只要能使內(nèi)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)境的隔絕。

該過程本質(zhì)上是一個(gè)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(jié)構(gòu)確定的情況下，可以通過控制隔絕腔室的壓力來調(diào)節(jié)。

在做具體的理論分析時(shí)，為簡(jiǎn)化理論計(jì)算模型，忽略由于各種因素帶來的流體損失，并將氮?dú)饪闯衫硐霘怏w處理，將整個(gè)過程看成一個(gè)理想過程[9]。

將以上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成以下模型，如圖2所示。

圖2 迷宮式密封齒簡(jiǎn)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(duì)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(shè)每一級(jí)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(dǎo)

分析可知，對(duì)于以上4個(gè)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(duì)氮?dú)廨S封來說，為軸封齒間隙環(huán)形面積），已知；c為等熵焓降轉(zhuǎn)換而來的流速；G為孔口質(zhì)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(jìn)而得到維持氮?dú)飧艚^腔室壓力所需要的具體氣體流量G。

3 快速計(jì)算方法的實(shí)例計(jì)算

以下舉一個(gè)實(shí)際迷宮式氮?dú)廨S封用氣量的快速計(jì)算運(yùn)用實(shí)例。

假設(shè)有一氮?dú)饷芊馇皇遥皇覂蓚?cè)各通過兩道密封齒進(jìn)行密封，根據(jù)上述方程（1）和（6），計(jì)算其中一側(cè)所需的氣體流量。計(jì)算實(shí)例簡(jiǎn)化示意模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算實(shí)例簡(jiǎn)化示意模型

4 數(shù)值模擬與快速計(jì)算方法的結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)上述實(shí)例進(jìn)行建模分析，模型及其網(wǎng)格劃分如圖4所示，流體計(jì)算域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。從圖4中可見，模型為3密封齒結(jié)構(gòu)，密封齒與軸間隙等具體結(jié)構(gòu)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(shè)定為：

（1）固體域邊界均考慮為絕熱邊界。

（2）流體域，密封氣進(jìn)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(jì)算，氮?dú)廨S封內(nèi)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?dú)廨S封內(nèi)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(jié)果與采用快速計(jì)算方法所得到的結(jié)果G=6.57 kg/h接近，實(shí)際工程應(yīng)用中預(yù)期精度要求＜1 kg/h，該兩者之間的誤差值可接受，當(dāng)?shù)饨Y(jié)構(gòu)尺寸更大后，誤差在結(jié)果中所占比例會(huì)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(jì)算方法相接近。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽輪機(jī)迷宮式氮?dú)廨S封，在相同參數(shù)輸入的條件下，本文所研究的氮?dú)廨S封用氣量快速計(jì)算方法與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，精度上可以滿足工程實(shí)際應(yīng)用的需求。

本文研究的氮?dú)廨S封用氣量快速計(jì)算方法有助于指導(dǎo)、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?dú)廨S封用氣量快速理論計(jì)算方法，將氮?dú)饪醋骼硐霘怏w，并未考慮諸如由于軸封齒形狀、熱傳導(dǎo)或其他因素所引起的相關(guān)損耗，在實(shí)際工程計(jì)算運(yùn)用中，讀者可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精度要求等選取系數(shù)進(jìn)行修正，以得到更符合工程實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。