迷宮式氣封泄漏流量理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

曾 飛，吳 飛，李 冠

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

密封問題的設(shè)計(jì)研究在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域都有非常重要的意義，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)以及航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等透平機(jī)械的設(shè)計(jì)尤為重要。迷宮式氣封作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中用來密封高壓氣體的必要部件，在世界主流燃?xì)廨啓C(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用。在燃?xì)廨啓C(jī)通流級(jí)內(nèi)，由于各級(jí)前后存在有較大的壓差，在動(dòng)葉頂部、靜葉底部的動(dòng)靜間隙處存在泄漏損失，使燃?xì)廨啓C(jī)的效率降低。為了提高機(jī)組的效率，在燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛采用迷宮式氣封，使通過的高溫高壓工作氣體產(chǎn)生節(jié)流與熱力學(xué)效應(yīng)從而達(dá)到密封效果，因此降低泄漏損失成為世界各國燃?xì)廨啓C(jī)公司和電廠等各類用戶矚目的重要研究課題。然而，近十年來，隨著單機(jī)參數(shù)、效率的不斷提高以及機(jī)組頻繁的調(diào)峰運(yùn)行，幾乎每年都有動(dòng)靜碰磨事故發(fā)生，給電廠帶來重大的損失。如何在密封性能和運(yùn)行安全性這對(duì)矛盾中間找到最佳平衡點(diǎn)，就成為迷宮式氣封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)者在進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)于迷宮式氣封的選型，首要關(guān)注的就是氣封泄漏流量。當(dāng)前，計(jì)算迷宮式氣封泄漏流量的方法[1]主要有阿道夫·艾格力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法、Flowmaster 程序數(shù)值模擬計(jì)算方法、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD） 程序數(shù)值模擬計(jì)算方法等。

采用Flowmaster 和CFD 程序數(shù)值模擬計(jì)算方法，不僅需要建立數(shù)值分析模型，而且計(jì)算過程需要耗費(fèi)相當(dāng)長時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求也非常高；而采用阿道夫·艾格力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]，如果將計(jì)算公式編制成Excel 計(jì)算程序，僅僅需要輸入若干個(gè)參數(shù)，瞬間即可輸出泄漏流量結(jié)果，設(shè)計(jì)者可以快速嘗試不同參數(shù)的迷宮式氣封，挑選出最佳參數(shù)。然而，不管采用哪種計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果的可靠性只能通過試驗(yàn)的方式加以驗(yàn)證。

1 阿道夫·艾格力迷宮式氣封泄漏流量計(jì)算方法

該經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]主要通過以下方式，獲得迷宮式氣封泄漏流量：一是基于氣封壓比和氣封齒數(shù)的流動(dòng)公式；二是基于氣封間隙和齒頂寬度的壓縮因子；三是對(duì)于直通齒迷宮式氣封，定義了一個(gè)基于氣封間隙、氣封節(jié)距、氣封齒數(shù)的載越因子。圖1 為設(shè)計(jì)的迷宮式氣封結(jié)構(gòu)圖。

圖1 迷宮式氣封結(jié)構(gòu)圖

迷宮式氣封結(jié)構(gòu)參數(shù)：進(jìn)口壓力P1=136 kPa；進(jìn)口溫度T1=318 K；出口壓力P2=95.7 kPa；氣封半徑R=335.5 mm；氣封間隙δ=0.5 mm；氣封節(jié)距S=4 mm；氣封齒數(shù)n=10；齒頂寬度Δ=0.25 mm；壓縮因子為0.7；載越因子為2.2。其中，壓縮因子和載越因子參考阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]選取。使用阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]，計(jì)算出的理論泄漏流量為0.167 kg/s。

2 迷宮式氣封泄漏流量試驗(yàn)驗(yàn)證

1） 試驗(yàn)臺(tái)工作原理。圖2 為氣封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖；圖3 為氣封試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。空氣經(jīng)小流量、大壓比羅茨鼓風(fēng)機(jī)壓縮后，經(jīng)出口消音器進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，再經(jīng)渦輪流量計(jì)進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)本體，由試驗(yàn)臺(tái)本體中的氣封裝置排入大氣。為保證運(yùn)行安全，儲(chǔ)氣罐上方設(shè)有安全閥，以保證系統(tǒng)超壓時(shí)能迅速打開安全閥泄壓。儲(chǔ)氣罐設(shè)有調(diào)節(jié)閥和放空閥，以調(diào)整所需要的進(jìn)氣壓力，從而保證試驗(yàn)所需要的壓比。因?yàn)闅夥庋b置的間隙是氣體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥后的唯一出口，所以通過渦輪流量計(jì)的質(zhì)量流量即為該氣封裝置在某工況下的泄漏流量。

圖2 氣封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

圖3 氣封試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

2） 氣封試驗(yàn)臺(tái)本體結(jié)構(gòu)。在氣封試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中，為了盡量保證氣封進(jìn)氣均勻性，采用從進(jìn)氣管道軸向進(jìn)氣，氣流在筒體中均勻后，進(jìn)入氣封裝置的間隙。由于試驗(yàn)臺(tái)筒體采用整圈結(jié)構(gòu)，氣封裝置的間隙是氣流泄漏的唯一通道，則進(jìn)氣的質(zhì)量流量即為氣封的泄漏流量。圖4 為氣封試驗(yàn)臺(tái)本體結(jié)構(gòu)，由變頻電機(jī)、試驗(yàn)轉(zhuǎn)子、氣封裝置、筒體、基架及軸承組成。

圖4 氣封試驗(yàn)臺(tái)本體結(jié)構(gòu)

3） 氣源選擇。由于燃?xì)廨啓C(jī)的氣封前后壓比一般小于2，而氣封的漏氣量為小間隙流，從經(jīng)濟(jì)性和測(cè)試功能兩方面考慮，最終選擇一臺(tái)小流量、大壓比羅茨鼓風(fēng)機(jī)，試驗(yàn)壓比最大可達(dá)1.7~1.8，最大進(jìn)口流量可達(dá)14.7 m3/min。

4） 管路設(shè)計(jì)。為了使高壓氣體壓力穩(wěn)定，以保證進(jìn)入氣封裝置的壓力不致波動(dòng)太大，從而保證測(cè)試精度，系統(tǒng)配備了一個(gè)1 m3儲(chǔ)氣罐。經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)升壓后的氣體經(jīng)過管道打入儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐出口管道上設(shè)有調(diào)節(jié)閥和放空閥，二者配合動(dòng)作可調(diào)節(jié)閥后壓力，達(dá)到所需要的氣封進(jìn)口壓力，調(diào)節(jié)閥后的氣體經(jīng)過一段足夠長度的直管后，進(jìn)入流量測(cè)量儀表，然后進(jìn)入氣封試驗(yàn)裝置。

5） 氣封試驗(yàn)結(jié)果。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，圖1 的迷宮式氣封泄漏流量為0.138 9 kg/s；而使用阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]，計(jì)算出的理論泄漏流量為0.167 kg/s，相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果，偏差為（0.167-0.138 9） /0.138 9=20.2%。從而可以得出結(jié)論：阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]滿足工程應(yīng)用要求。

3 迷宮式氣封泄漏流量計(jì)算程序

通過Excel 表格，應(yīng)用阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]中的計(jì)算公式，編制迷宮式氣封泄漏流量計(jì)算程序，根據(jù)輸入結(jié)構(gòu)和氣體參數(shù)，計(jì)算氣封臨界壓比和氣封泄漏流量。

輸入結(jié)構(gòu)和氣體參數(shù)：主流流量為80 kg/s；氣封類型為直通式；氣封轉(zhuǎn)速為6 000 r/min；進(jìn)口壓力為136 kPa；出口壓力為95.7 kPa；進(jìn)口溫度為318.00 K；氣封半徑為335.5 mm；氣封間隙δ=0.5 mm；齒數(shù)n=10；氣封節(jié)距s=4 mm；齒頂寬度Δ=0.25 mm。

氣封臨界壓比計(jì)算過程與結(jié)果：絕熱指數(shù)k=1.4；齒數(shù)n=10；臨界壓比β=0.231 2；進(jìn)口壓力P1=136 kPa；進(jìn)口溫度T1=318 K；出口背壓P2=95.7 kPa；壓比π=0.704。由于未達(dá)到臨界狀態(tài)，因此臨界壓力Pcr、絕熱等熵膨脹后溫度T2、靜溫度降△T的數(shù)據(jù)均不存在。

氣封泄漏流量計(jì)算過程與結(jié)果：氣封壓比π=0.704；間隙-齒頂寬比c/t=2.00；壓縮因子為0.7；PR 因子為0.228 5；氣封流通面積1 054.00 mm2；氣封流量為0.075 9 kg/s；串聯(lián)氣封流量一致調(diào)整的間隙-節(jié)距比c/p=0.125；載越因子為2.2；氣封流量為0.167 0 kg/s；泄漏量占主流流量百分比為0.21%。

通過該計(jì)算程序，只需要輸入綠色表格內(nèi)的參數(shù)，即可瞬間獲得需要的泄漏流量。

4 結(jié)束語

燃?xì)廨啓C(jī)迷宮式氣封結(jié)構(gòu)基本類似，本文通過試驗(yàn)的方式，驗(yàn)證了阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]，得出的結(jié)論是：該計(jì)算方法滿足工程應(yīng)用要求。為了快速計(jì)算出迷宮式氣封泄漏流量，筆者利用Excel 軟件，將阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[1]編制成一個(gè)簡單實(shí)用的計(jì)算程序，僅僅需要輸入若干個(gè)參數(shù)，瞬間即可輸出泄漏流量結(jié)果，設(shè)計(jì)者可以快速嘗試不同參數(shù)的迷宮式氣封，挑選出最佳參數(shù)。