葉頂汽封徑向和軸向間隙對汽輪機(jī)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(diǎn)而廣泛應(yīng)用在汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、離心壓縮機(jī)等大型葉輪機(jī)械設(shè)備中。葉輪機(jī)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(huì)在轉(zhuǎn)子和靜子之間留有一定的間隙。實(shí)際運(yùn)行過程中，由于間隙的存在而發(fā)生流體泄漏，降低了機(jī)組的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性能。為了阻止流體泄漏，提高機(jī)組的整體效率，在葉輪機(jī)中不同部位設(shè)計(jì)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(dòng)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)曲線，為迷宮密封的計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子部件靜止時(shí),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(yàn)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(jī)內(nèi)迷宮密封的動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，對直通式、交錯(cuò)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(jì)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(tái)數(shù)和交錯(cuò)結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)對密封穩(wěn)定性的影響規(guī)律。GAMAL和VANCE[9]試驗(yàn)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(huì)使泄漏量降低10%～20%。LIN等[10]用數(shù)值模擬的方法對交錯(cuò)迷宮密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)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(yàn)測試驗(yàn)證理論相結(jié)合的方法，并未對工程實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(fèi)用的目的。

本文作者針對某化工廠汽輪機(jī)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(jī)葉頂汽封建立模型，采用二維模型研究了汽輪機(jī)葉頂汽封的徑向間隙和軸向間隙對汽輪機(jī)泄漏量及汽輪機(jī)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(shí)際運(yùn)行證明該方案可行性。

1 汽輪機(jī)汽封故障分析

1.1 汽輪機(jī)主軸位移故障

某化工廠汽輪機(jī)設(shè)備全套進(jìn)口于意大利，汽輪機(jī)為冷凝式設(shè)計(jì)，級間還設(shè)計(jì)有抽汽、注汽，汽輪機(jī)整體為單缸結(jié)構(gòu)。運(yùn)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(jì))8 700 kg/h，進(jìn)汽壓力(設(shè)計(jì))3.8 MPa(絕)，進(jìn)汽溫度(設(shè)計(jì))365 ℃。該汽輪機(jī)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(jī)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(shí)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)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(jī)主軸位移故障分析

汽輪機(jī)工作時(shí)，蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)做功，一方面推動(dòng)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(jī)每級軸向推力由級動(dòng)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(jī)單元結(jié)構(gòu)及軸向受力簡圖

作用在動(dòng)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(dòng)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(dòng)葉片的進(jìn)汽和排汽相對汽流角；dm為該級動(dòng)葉的平均直徑，mm；lb為該級動(dòng)葉葉高，mm；Ωm為該級平均焓降反動(dòng)度，比壓力反動(dòng)度要稍大一點(diǎn)，沖動(dòng)式汽輪機(jī)常取0.1～0.5；Δp為作用于該級靜葉前壓力p0和動(dòng)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(dòng)葉處輪轂直徑mm；n為該級葉輪平衡孔個(gè)數(shù)；db為該級葉輪平衡孔直徑mm；Ωd為該級葉輪面處反動(dòng)度，其中Ωd=(pd-p2)/(p0-p2)；pd為該級靜葉后與動(dòng)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(tái)平均高度,mm。

根據(jù)以上計(jì)算，可求得多級汽輪機(jī)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(dòng)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(tái)壓差產(chǎn)生的軸向力。

根據(jù)對近幾年該機(jī)組的檢修情況及故障分析，結(jié)合汽輪機(jī)軸向力產(chǎn)生的理論分析，發(fā)現(xiàn)多級汽輪機(jī)的葉頂汽封磨損后，汽封泄漏量會(huì)顯著增加，同時(shí)汽輪機(jī)各級級間壓力上升，造成汽輪機(jī)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(huì)被破壞，產(chǎn)生軸位移的突變情況?？梢娙~頂汽封泄漏量增加會(huì)加快軸承的磨損，從而影響到汽輪機(jī)主軸位移的變化。因此，判斷汽輪機(jī)軸向位移產(chǎn)生是由于該汽輪機(jī)葉頂汽封磨損造成的。

對于工程實(shí)際問題，汽輪機(jī)各部件在真實(shí)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(jī)進(jìn)行流場數(shù)值模擬來分析汽輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)較薄，一般在0.25 mm的厚度。相鄰的兩個(gè)密封齒之間，由密封齒和轉(zhuǎn)子汽缸構(gòu)成一個(gè)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(shí)，流通面積變小、蒸汽速度增加，同時(shí)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(shí)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(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，在整個(gè)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(jì)算過程中僅對某一級葉頂汽封結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)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(diǎn)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(jì)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(yàn)。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(diǎn)數(shù)為18745、74532、297720。導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同網(wǎng)格尺寸下的定點(diǎn)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(shí)間相似，綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間，采用網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(jì)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(shí)，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(jì)算。

表1 邊界參數(shù)值

根據(jù)FLUENT軟件的計(jì)算，得出當(dāng)b=2.75 mm時(shí)，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(diǎn)：

(1)蒸汽在通過汽封齒隙的位置時(shí)速度明顯增加，在壓力差的推動(dòng)下，蒸汽由高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)，在汽封齒位置流通面積變小，所以速度明顯增加，此時(shí)蒸汽壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；同時(shí)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(shí)，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(jì)參數(shù)，它關(guān)系到汽輪機(jī)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?yàn)楫?dāng)氣體以高速進(jìn)入兩齒之間的環(huán)形腔室Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ時(shí),體積突然膨脹產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦，渦流摩擦的結(jié)果使汽流的絕大部分動(dòng)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(dòng)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(jì)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(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)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(jī)的徑向間隙控制在設(shè)計(jì)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(shí)。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(jì)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(diǎn)：

(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??；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(dòng)發(fā)生軸向摩擦，將軸向間隙值b控制在設(shè)計(jì)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?yàn)殡S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(dòng)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(shí)施前后的軸位移實(shí)時(shí)監(jiān)測趨勢圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的汽輪機(jī)運(yùn)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(yàn)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(shí)速度能會(huì)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(jī)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(jī)的級間壓力升高，汽輪機(jī)的級效率降低，汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的軸向推力增加，軸向推力增加到一定程度會(huì)導(dǎo)致推力軸承磨損，軸位移增加。因此，在滿足機(jī)組動(dòng)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(jì)下限，有利于提高機(jī)組的效率與降低機(jī)組運(yùn)行的軸向推力。

(3)在總長度L為定值時(shí)，汽輪機(jī)葉頂汽封的軸向間隙b對機(jī)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(shí)的平穩(wěn)性。

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