蜂窩密封加工工藝在汽輪機上的應用研究

摘 要：某石油化工企業催化裝置的汽輪機出現了軸封泄漏的情況，原設計方案為梳齒迷宮密封結構，屬于較落后的密封技術。為了解決相關問題，擬定采用蜂窩密封對原軸封方式進行改造。研究過程分析了密封機理，以降低泄漏率為判斷依據，運用數值模擬的方式確定了最佳的格芯尺寸、蜂窩深度、膜片厚度以及環帶寬度，對比了轉速和密封間距對密封性能的影響，進而確定了最佳的結構設計方案。在加工工藝方面，以GH3039高溫合金制作蜂窩，通過真空釬焊的方式完成焊接。經實測，該密封裝置在24個月內未出現泄漏，同時降低了轉子的振動效應。

關鍵詞：汽輪機；蜂窩密封加工工藝；應用方法

中圖分類號：TK 263" 文獻標志碼：A

高溫蒸汽具有較大的壓力，當其通過汽輪機時，將蒸汽的熱能和動能轉化為汽輪機的機械能，良好的密封性能夠提高能量的轉化率。D50-14汽輪機采用早期的梳齒迷宮密封技術，其優點為結構簡單，缺點為封嚴效果差，逐漸被淘汰。蜂窩密封屬于當前主流的軸封設計方案，由于結構較為復雜，需要通過理論分析和試驗確定合理的結構參數，為加工制造提供明確的依據。

1 汽輪機概況

某石油化工企業的D50-14汽輪機在運行過程中出現了軸封泄漏的情況，該汽輪機應用于催化裝置，正常運行條件見表1。為了保證生產安全，需要針對泄漏問題進行密封結構改造。

現階段，在煉油用汽輪機軸端密封設計中，主要的技術方案為蜂窩密封或者刷式密封。在此次密封改造中，采用蜂窩密封技術，其優點為使用壽命長、除濕效果好、密封性能好、耐磨損。

2 蜂窩密封結構設計及加工工藝

2.1 密封機理及泄漏率檢測方法

2.1.1 密封機理

蜂窩密封因結構類似蜂巢而得名，每一個蜂窩均為六邊形，當汽輪機的高溫工作蒸汽通過蜂窩結構時，六邊形網格對氣流形成切割作用，從而產生大量弱小的氣流，并且這些氣流在網格內不斷旋轉，將動能轉化為熱能[1]。按照這一機理，與蜂窩的表面相比，其底部氣體的溫度和壓力更高，在內外表面形成溫度差和壓力差。由于蜂窩表面壓力低，當蒸汽通過蜂窩結構時，工作氣體將被吸附進蜂窩中。將蜂窩壁面對蒸汽流體的剪切作用記為τw（N/m2），該參數的計算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；f為摩擦因子；vm為流體相對固體表面的平均速度，m/s。

2.1.2 泄漏率檢測方法

當評價蜂窩密封結構的性能時，采用的指標為泄漏率，如公式（2）所示。

（2）

式中：LR為泄漏率，mL/s；Tst為標準狀態下的大氣絕對溫度，K；pst為標準大氣壓，Pa；pr為環境壓力，Pa；Tr為環境溫度，K；p為泄漏空腔內壓力與環境壓力的差值，Pa；T為泄漏空腔內溫度與環境溫度的差值；Vc為泄漏空腔的初始容積，cm3；t為泄漏時間，s；K1為針對容積變化的修正系數，cm3/mm；ΔDG為測量時墊片壓縮量的變化，mm；Δp為泄漏時空腔內壓力的變化量，Pa；ΔT為泄漏時空腔內溫度的變化量，K。

當檢測蜂窩密封裝置的泄漏率時，可采用壓降法，試驗介質為N2。向蜂窩密封裝置充入N2，記錄初始的氣體壓力，通過壓力監測儀表記錄整個試驗過程中不同階段的氣體壓力，再根據公式（2）計算出不同工況下的泄漏率數值。

2.2 密封結構設計

2.2.1 蜂窩的參數取值范圍

蜂窩密封由一系列蜂窩孔組成，其內表面為正六邊形，由膜片形成格芯。在實際應用中，可對蜂窩格芯的尺寸進行調整，膜片的厚度通常設計為0.05mm～1.0mm，蜂窩的深度大多設計為1.6mm～6.0mm。所有的蜂窩構成一個環帶狀結構，其環帶寬度控制在10mm～50mm[2]。

2.2.2 結構參數對性能的影響

2.2.2.1 格芯尺寸與密封性能的關系

格芯尺寸是指蜂窩孔六邊形中對邊的距離，決定了蜂窩截面積的大小。為了研究格芯尺寸與密封性能之間的關系，利用Solidworks軟件建立蜂窩密封結構的三維模型，設置基本條件。改變格芯尺寸的大小，其他條件維持不變，模擬計算泄漏量[3]。蜂窩的制作材料為GH3039耐高溫合金，在數值模擬中，設置其在不同溫度下的屈服應力。當溫度為400℃時，屈服應力為689MPa，當溫度達到500℃時，屈服應力的取值為718MPa。將蜂窩格芯的尺寸設計為4種規格，分別為0.8mm、1.6mm、3.2mm、4.0mm，介質壓力設置為0.2MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa。密封間隙設置為0.3mm，轉子轉速設定為1400rad/min。利用仿真軟件計算泄漏量，結果見表2。

當格芯尺寸固定時，泄漏率和介質壓力成正相關。當介質壓力為0.2MPa～0.5MPa時，隨著格芯尺寸的增加，泄漏率呈增大的趨勢。當介質壓力在1.0MPa～2.0MPa時，隨著格芯尺寸的增大，泄漏率呈下降的趨勢。

提高汽輪機轉速，當其達到5600rad/min的高轉速水平時，在0.2MPa～2.0MPa的壓力區間內，格芯尺寸為3.2mm時的泄漏率最低。汽輪機進入穩定工作狀態后，轉速通常維持在高位，因此，最佳格芯尺寸為3.2mm。

2.2.2.2 蜂窩深度與密封性的關系

將格芯尺寸統一設定為3.2mm，蜂窩深度設置為5種規格，包括3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、8.0mm、10.0mm。密封間隙設定為0.3mm，汽輪機轉子轉速設置為三檔，分別為1400rad/min、3000rad/min、5600rad/min，其他模擬條件保持一致。介質壓力從0.2MPa提升至2.0MPa，分別模擬計算不同介質壓力下的泄漏率[4]。模擬結果顯示，無論轉子轉速設置為多少，當介質壓力保持不變時，隨著蜂窩深度的增加，泄漏率先減小后增大，在蜂窩深度為6.0mm時達到最小值。由此可見，最佳的蜂窩深度為6.0mm。

2.2.2.3 膜片厚度與密封性的關系

通過前兩次模擬，確定了最佳的蜂窩格芯尺寸和蜂窩深度，將這2個參數分別設定為3.2mm、6.0mm，在此基礎上模擬最佳的膜片厚度，設計規格分別為0.05mm、0.10mm、0.30mm、0.50mm、1.00mm。密封間隙統一設定為0.30mm，轉子轉速涵蓋1400rad/min、3000rad/min、5600rad/min三個級別。介質壓力從0.2MPa提升至2.0MPa，在特定的價值壓力、轉子轉速和膜片厚度下模擬泄漏率。模擬結果顯示，在介質壓力增加的情況下，泄漏率總是呈上升趨勢，不受膜片厚度的影響[5]；當介質壓力保持不變，持續增加膜片厚度，泄漏率呈上升趨勢，即膜片厚度為0.05mm時，泄漏率最低。綜合兩種情況，最佳的膜片厚度應為0.05mm。

2.2.2.4 環帶寬度與密封性的關系

將蜂窩密封的格芯尺寸、膜片厚度以及蜂窩深度分別設定為3.2mm、0.05mm、6.0mm，密封間隙取值為0.03mm，轉子轉速仍然為1400rad/min、3000rad/min、5600rad/min3個級別。介質壓力從0.2MPa提升至2.0MPa。蜂窩密封的環帶寬度涵蓋10.0mm、20.0mm、30.0mm、40.0mm、50.0mm、100.0mm6種規格。在特定介質壓力、環帶寬度和轉速下模擬泄漏率。結果顯示，當環帶寬度不變時，泄漏率與介質壓力成正相關。當介質壓力保持不變時，在不同的轉速條件下，隨著環帶寬度的增加，泄漏率呈下降趨勢。換句話說，當環帶寬度較大時，有利于降低泄漏率。當環帶寬度達到50mm及以上時，對泄漏率的降低程度明顯下降。因此，性價比最高的環帶寬度為50mm。

2.3 蜂窩密封裝置封嚴特性數值模擬

2.3.1 轉速與密封性能的關系

在數值模擬中，將密封間隙和軸徑分別設置為0.03mm、100mm，蒸汽介質的溫度設定為230℃，壓力統一設定為2.0MPa。轉子轉速設置為5個等級，分別為1400rad/min、

3000rad/min、4200rad/min、5600rad/min、6000rad/min。對比梳齒蜂窩密封、蜂窩密封以及梳齒迷宮密封的泄漏率。從模擬數據可知，原設計方案為梳齒密封結構，隨著轉速的提高，泄漏率呈遞增趨勢。改用蜂窩密封或者梳齒蜂窩密封之后，隨著轉速的提高，泄漏率呈下降趨勢。另外，對比3種結構的密封性能，梳齒蜂窩密封最佳，其次為蜂窩密封。

2.3.2 密封間隙與密封性能的關系

將密封間隙分別設置為0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.30mm、0.45mm、0.60mm，再運用梳齒蜂窩密封結構、蜂窩密封結構、梳齒迷宮密封結構分別開展泄漏率模擬，蒸汽介質的壓力為2.0MPa，蒸汽溫度為230℃，模擬結果見表4。當采用梳齒蜂窩密封結構時，隨著密封間隙的增加，泄漏率呈上升趨勢，泄漏率模擬數值在17.1mL/s～49.6mL/s；當采用蜂窩密封結構時，隨著密封間隙的增加，泄漏率呈上升趨勢，模擬數值在37.8mL/s～63.1mL/s；當采用梳齒迷宮密封結構時，泄漏率與密封間隙的大小成正相關，泄漏率的模擬數值在58.6mL/s～203.7mL/s。

對比數據可知，梳齒蜂窩密封的最大泄漏率最小，其次為蜂窩密封；當密封間隙相同時，泄漏率按照從小到大的排序結果為梳齒蜂窩密封結構、蜂窩密封結構、梳齒迷宮密封結構。可見，梳齒蜂窩密封結構性能最佳。另外，密封間隙越小，泄漏率越低。

2.4 加工工藝

2.4.1 蜂窩密封的制造材料

密封膜的厚度僅為0.05mm，汽輪機的工作介質為高溫蒸汽，這些客觀因素要求制造材料具有抗蠕變性、高溫穩定性和耐腐蝕性[5]。經過篩選，GH3039高溫合金能夠滿足相關要求，其性能參數見表5。

2.4.2 加工制作方法

從結構上來看，蜂窩密封環由2個部分組成，其一為基體環板，其二為蜂窩帶。蜂窩帶以金屬薄板壓制而成，制造材料為GH3039。將蜂窩帶以真空釬焊的方式焊接在基體環板上，從而實現蜂窩底部封堵。具體安裝時，將蜂窩密封設置在密封腔的內側。

3 蜂窩密封工程試驗及其在汽輪機上的應用分析

3.1 蜂窩密封裝置工程試驗

3.1.1 樣品制造

按照第2小節的模擬試驗參數，以GH3039高溫合金加工制造實體的蜂窩密封裝置，蜂窩環帶的寬度為50mm。

3.1.2 試驗裝置

在工程試驗中，主要檢測實體裝置的泄漏率和轉子的穩定性。試驗裝置為機械密封試驗臺，該裝置可支持轉速調節，試驗過程采取兩種轉速，分別為3000rad/min、5600rad/min。

3.1.3 泄漏率試驗結果分析

當轉速為3000rad/min時，介質壓力分別設定為0.2MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa，對比實測的泄漏率和數值模擬的泄漏率。實測結果為4.7、10.6、15.5、22.7、24.7mL/s，數值模擬的結果為4.1、13.8、23.5、28.2、30.7mL/s。

當轉速為5600rad/min時，在相同的介質壓力下，實測的泄漏率為3.6、9.8、14.3、17.5、21.6mL/s，數值模擬的泄漏率為2.7、12.8、22.6、26.4、28.2mL/s。

對比實測結果和數值模擬的結果，當轉速為3000rad/min，并且介質壓力為0.5MPa～2.0MPa時，實測的泄漏率低于數值模擬的泄漏率。當轉速為5600rad/min、介質壓力在0.5MPa～2.0MPa時，實測的泄漏率同樣低于數值模擬的泄漏率。可見，該蜂窩密封裝置的封嚴性優于理論值，達到了設計預期。

3.1.4 轉子穩定性試驗結果分析

D50-14汽輪機的原設計方案采用梳齒迷宮密封裝置，改用蜂窩密封裝置后，需要驗證其轉子穩定性的影響，以達到良好的工程效果。以試驗平臺為基礎，分別在不安裝密封裝置和安裝密封裝置的條件下進行試驗，利用非接觸位移傳感器檢測徑向跳動[6]。

當轉速為3000rad/min時，在不安裝蜂窩密封裝置的情況下，轉子徑向跳動的幅值為0.074mm。安裝密封裝置后，在0.2MPa～2.0MPa的介質壓力下，轉子徑向跳動的幅值為0.061mm～0.070mm，小于0.074mm。

當轉速為5600rad/min時，在不安裝蜂窩密封的情況下，轉子徑向跳動的幅值為0.083mm。安裝蜂窩密封裝置后，在0.2MPa～2.0MPa的介質壓力下，轉子徑向跳動的幅值為0.66mm～0.079mm，均小于0.083mm。從試驗數據可知，在安裝蜂窩密封裝置后，轉子的徑向跳動幅值明顯更小，說明轉子穩定性有所提高[7]。

3.2 蜂窩密封裝置在汽輪機上的應用分析

3.2.1 針對汽輪機的蜂窩密封設計

該企業針對催化工段D50-14汽輪機軸端密封泄漏的問題，采用蜂窩密封裝置進行改造，代替原有的梳齒密封裝置。設計參數包括蜂窩深度、環帶寬度、膜片厚度以及格芯尺寸，按照上文中的設計參數進行制造[8]。即格芯尺寸為3.2mm，環帶寬度為50mm，膜片厚度取值為0.05mm，蜂窩深度取值為6.0mm。經測量，蜂窩密封裝置與汽輪機軸徑的實際間隙僅為0.13mm，小于0.30mm。

3.2.2 實際運行效果

改造完成之后，監測汽輪機在實際運行時的介質泄漏情況，監測時長為24個月，未出現明顯的泄漏。從轉子平穩性來看，當汽輪機進入高速轉動區間后，軸徑向振動的幅值從6.6mm降至4.5mm。

4 結語

D50-14汽輪機的軸端密封采用早期的梳齒迷宮密封結構，通過數值模擬可知，與蜂窩密封和梳齒蜂窩密封相比，梳齒迷宮密封的泄漏率明顯更高，技術較為落后，不能滿足實際需求。在結構改造中，擬定采用蜂窩密封，其關鍵設計參數包括格芯尺寸、膜片厚度、蜂窩深度、環帶寬度。將泄漏率作為控制目標，經過數值模擬，以上四個參數的最佳取值分別為3.2mm、0.05mm、6.0mm、50mm。從加工工藝來看，蜂窩密封可使用GH3039高溫合金材料，蜂窩呈六邊形結構，呈環形。以真空釬焊的方式將蜂窩焊接在基體環板上，蜂窩帶金屬薄板壓制而成。利用蜂窩密封改造D50-14汽輪機的軸封，連續監測24個月，觀測汽輪機的泄漏情況，結果并未出現明顯的泄漏。另外，改用蜂窩密封之后，汽輪機高速轉動時的主軸徑向振動幅值從6.6mm降至4.5mm，整體的穩定性得到明顯改善。

參考文獻

[1]付康民，高俊華.汽輪機斜孔腔蜂窩密封泄漏性能優化數值研究[J].電氣技術與經濟，2024（2）：60-64.

[2]張雨霏，何立東，王勝利，等.蜂窩密封的設計、仿真及其應用研究[J].機電工程，2021，38（7）：807-814.

[3]王玉國.蜂窩密封技術在汽輪發電機組改造中的應用[J].中國新技術新產品，2020（8）：41-42.

[4]李永翔，趙純陽，孔德臣.背壓式汽輪機軸端汽封泄漏分析及改造[J].內燃機與配件，2020（2）：149-150.

[5]傅力宏，張雪輝，陳海生，等.渦輪葉頂泄漏控制研究進展[J].工程熱物理學報，2023，44（5）：1177-1198.

[6]苗淑靜，劉海洋，張艷鋒，等.微型擺式內燃機蜂窩密封設計及流場分析[J].內蒙古工業大學學報（自然科學版），2023，42（1）：45-50.

[7]周敏，孫丹，肖忠會，等.蜂窩密封泄漏特性與動力特性影響因素分析[J].風機技術，2021，63（5）：58-65.

[8]楊興辰，張萬福，顧承璟，等.迷宮-蜂窩混合型密封靜態穩定性與泄漏特性研究[J].摩擦學學報，2021，41（5）：738-748.