新型導(dǎo)流式減壓汽封對(duì)于解決傳統(tǒng)汽封漏汽問題分析

王力，梁松，王漢洮，李佳杰

（1.國(guó)家能源集團(tuán)華北電力有限公司霍州發(fā)電廠，山西 霍州 031413；2.智偉電力（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214181）

1 導(dǎo)流式減壓汽封的設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的汽封產(chǎn)品借鑒本身有著強(qiáng)適應(yīng)性和安全性的梳齒型汽封作為設(shè)計(jì)原型。但是，其本身也存在相對(duì)較差的密封效果的缺點(diǎn)，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)和科研表明，通過改善汽封結(jié)構(gòu)，增大腔室的面積，根據(jù)熱力學(xué)效應(yīng)，汽體流動(dòng)的熱耗在大腔室的提高，密封效果也相應(yīng)提高；同時(shí)，提高流體腔室表面的粗糙程度，通過摩阻效應(yīng)，流體的密封效果也會(huì)更好。本文設(shè)計(jì)的汽封就通過增大腔室空間容積形成迷宮式汽封，增加導(dǎo)流小齒以增加流道表面粗糙度的目的，提高汽封整體的密封效果。

然而，在一般的直通型迷宮結(jié)構(gòu)中，汽體從進(jìn)氣側(cè)擴(kuò)散過程中，由于在腔室里不能進(jìn)行充分有效的動(dòng)熱能轉(zhuǎn)化，其靠近光滑腔壁一側(cè)的汽體流速幾乎沒有減小，就從出氣側(cè)離開腔室，這種一掠而過的現(xiàn)象稱為“透氣效應(yīng)”，是一種在直通型迷宮結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)生的效應(yīng)，一定程度上降低了汽封的密封效果。為解決這個(gè)問題，本文的汽封在設(shè)計(jì)時(shí)將迷宮路徑設(shè)計(jì)為環(huán)繞型，在汽體出氣側(cè)設(shè)置出氣孔，通過“汽阻汽”的原理，降低流速，提高汽密性。

2 導(dǎo)流式減壓汽封實(shí)驗(yàn)對(duì)比

本章節(jié)通過實(shí)驗(yàn)的方式將導(dǎo)流式減壓汽封和傳統(tǒng)汽封進(jìn)行模擬對(duì)比。通過傳統(tǒng)的梳齒型汽封汽體通過腔室可以看出，汽體在從進(jìn)汽端和汽封/轉(zhuǎn)子間隙后，由腔室結(jié)構(gòu)決定了汽體形成了3個(gè)漩渦體，同時(shí)，貼近光滑壁（轉(zhuǎn)子）一側(cè)的汽體，通過汽體模擬的顏色可以得知汽體本身的熱耗下降并不明顯，說明密封效果不理想。通過本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)流式汽封汽體可以看出，汽體通過復(fù)雜的迷宮腔室后，整體進(jìn)出汽的熱能已經(jīng)有明顯下降（藍(lán)色變?yōu)榫G色）。通過兩圖對(duì)比可以看出：（1）本文設(shè)計(jì)的汽封具有多級(jí)小齒，帶來更多的渦流，汽流在汽封壁上流動(dòng)非常充分，汽密性提高；（2）汽體經(jīng)過更長(zhǎng)的腔室，接觸更多的腔室面積來提高汽體熱耗；（3）經(jīng)過腔室的汽體通過環(huán)形迷宮后經(jīng)排氣孔（虛線位置），與未進(jìn)入迷宮腔室的汽體形成90°夾角對(duì)沖，帶來高效的汽阻汽效應(yīng)，進(jìn)一步提高密封效果。

通過汽水混合通過設(shè)計(jì)汽封時(shí)的流體可以看出，當(dāng)高壓高速的汽流通過進(jìn)氣側(cè)進(jìn)入汽封腔室和轉(zhuǎn)子凸臺(tái)時(shí)，流體在腔體內(nèi)部形成多個(gè)渦流體，整體流動(dòng)時(shí)在迷宮腔體內(nèi)部形成高速循環(huán)。由于增加了迷宮腔室的接觸面積并且增加了多級(jí)的小齒，整個(gè)渦流區(qū)域流體特性變得更加復(fù)雜，同時(shí)多個(gè)漩渦的形成提高了的熱耗散能力。最終，汽體在到達(dá)轉(zhuǎn)子凸臺(tái)時(shí)，通過氣體的顏色可以看出，依然保持汽體密封性。

以上兩組實(shí)驗(yàn)均為仿真模擬實(shí)驗(yàn)，為了更真實(shí)地反映多級(jí)次減壓汽封的密封性能，一組類似汽輪機(jī)工作原理的實(shí)驗(yàn)性工作臺(tái)被設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)參考了目前電廠和市場(chǎng)上普遍認(rèn)可的汽封產(chǎn)品：梳齒型汽封與本文設(shè)計(jì)的汽封徑向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)，通過3個(gè)方面：壓差計(jì)時(shí)法、流量法和差異間隙法，判斷汽封的密封性能。

本文使用的流量系數(shù)定義如下：

式中，μ為流量系數(shù)，G為測(cè)量的漏汽量（kg/s），F(xiàn)為汽體側(cè)漏面積（m2），Z為高低齒總數(shù)（本次測(cè)試取值為10），R0為進(jìn)氣總壓（MPa），R2為排氣靜壓（MPa），T0為進(jìn)氣溫度（K），R為汽體常數(shù)。

測(cè)試環(huán)境介質(zhì)表，如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：莠去津殘留對(duì)馬鈴薯株高、葉色、長(zhǎng)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性狀均有抑制作用，降低了干物質(zhì)和淀粉含量，提高了畸形薯率；噴施緩解劑在一定程度上可以緩解上述藥害，其中以處理3（敵克松+吲哚乙酸）效果最優(yōu)，可使馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育基本保持正常，其產(chǎn)量略低于正常水平，高于莠去津殘留的土壤處理，商品薯率達(dá)到85.0%，在生產(chǎn)實(shí)踐中可以降低莠去津藥害殘留的影響。

表1 測(cè)試環(huán)境介質(zhì)

試驗(yàn)?zāi)M汽輪機(jī)參數(shù)，如表2所示。

表2 模擬汽輪機(jī)參數(shù)

壓縮空氣系統(tǒng)參數(shù)，如表3所示。

表3 壓縮空氣系統(tǒng)

（1）壓力計(jì)時(shí)法。壓力計(jì)時(shí)法是通過限定相同的壓力降，通過對(duì)比不同的壓力降時(shí)間來對(duì)比本文設(shè)計(jì)汽封和梳齒型汽封的密封性能，具體參數(shù)，如表4所示。

表4 壓差計(jì)時(shí)法參數(shù)

在所有參數(shù)相同，將起始、終結(jié)壓力分別設(shè)置在0.7MPa和0.3MPa時(shí)，梳齒汽封用了30s。本文的導(dǎo)流式減壓汽封延長(zhǎng)漏氣時(shí)長(zhǎng)9s共39s，相比同樣的氣壓降，設(shè)計(jì)的汽封比傳統(tǒng)的梳齒汽封密封效果時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)了30%。

（2）流量法。流量法也是控制變量法的一種，通過限定相同壓力和時(shí)長(zhǎng)，來判斷兩種不同汽封的流量消耗。其設(shè)定參數(shù)，如表5所示。

表5 流量法參數(shù)

同樣使用本文設(shè)計(jì)汽封和傳統(tǒng)梳型汽封在相同氣壓和持續(xù)時(shí)間時(shí)，梳齒汽封流量約為36h，而設(shè)計(jì)汽封約為24，說明設(shè)計(jì)汽封的降低流量12，相對(duì)降低流量30%。

（3）間隙法。第三個(gè)對(duì)比方法是保持其他參數(shù)不變的情況下，改變轉(zhuǎn)子與汽封動(dòng)靜間隙，具體參數(shù)設(shè)計(jì)同表5，試驗(yàn)動(dòng)靜間隙分別為0.5mm和0.8mm。當(dāng)轉(zhuǎn)子汽封動(dòng)靜間隙從0.5mm增大至0.8mm時(shí)，2種汽封的汽體流量都有一定程度的變大，但是，傳統(tǒng)梳齒汽封位于0.8mm間隙時(shí)的流量大小基本等同于設(shè)計(jì)汽封位于0.5mm間隙時(shí)的流量大小，再次證明了設(shè)計(jì)汽封的優(yōu)秀密封性能。

3 導(dǎo)流式減壓汽封實(shí)際應(yīng)用

3.1 2017年在某廠2#機(jī)的應(yīng)用

2017年，山東某電廠對(duì)其2#機(jī)組進(jìn)行本體大修并嘗試運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的汽封進(jìn)行改造，取得了良好的密封提效。該電廠2#機(jī)為上海汽輪機(jī)廠650MW超臨界機(jī)組，通過改造方案的實(shí)施，有效地降低機(jī)組的熱耗值，并且實(shí)現(xiàn)了降低過橋段漏汽量的目標(biāo)。在保證機(jī)組啟機(jī)安全性的前提下，通過修前修后性能實(shí)驗(yàn)印證了設(shè)計(jì)汽封的經(jīng)濟(jì)效益。

通過修正后的修前修后對(duì)比可知，在運(yùn)用了設(shè)計(jì)汽封后，該機(jī)組的熱耗值下降明顯，從修前的7878.3kJ/kWh降至7623.38kJ/kW，總計(jì)熱耗減少255kJ/kWh。另一方面，本次汽封改造對(duì)過橋效率和缸體缸效提升明顯：過橋段漏汽量從修前的4.28%降至修后的1.24%，共降低3.04%，接近于設(shè)計(jì)值的1.20%；高壓缸內(nèi)效率從修前80.76%提升至修后的87.27%，共提升6.51%，只低于設(shè)計(jì)值（87.50%）0.23%；中壓缸內(nèi)效率從修前89.93%提升至修后的93.70%，略高于設(shè)計(jì)值（93.33%）0.37%，考慮到過橋段漏氣會(huì)致使中壓缸效率略微提升，結(jié)果是比較能真實(shí)反映出實(shí)際缸效情況的。

3.2 2020年在某廠4#機(jī)的應(yīng)用

2020年，江蘇某電廠對(duì)其4#機(jī)組進(jìn)行本體大修并采用本文設(shè)計(jì)的汽封進(jìn)行改造，取得了優(yōu)良的節(jié)能減排效果。該電廠4#機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)長(zhǎng)300MW亞臨界機(jī)組，該機(jī)組概況主要性能規(guī)范，如表6所示。

表6 江蘇某廠4#機(jī)性能參數(shù)

該機(jī)組在過橋段運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的汽封進(jìn)行節(jié)能改造，具體的改造方案如表7所示。

表7 江蘇某廠4#機(jī)汽封改造方案

通過以上的改造方案的實(shí)施，極大地降低了機(jī)組的熱耗值，并且降低了修前過橋段漏汽量大的問題，一次啟機(jī)成功。

在啟機(jī)過程中，轉(zhuǎn)子振動(dòng)小，軸瓦溫度優(yōu)良，極大地提高了機(jī)組啟機(jī)的成功率和機(jī)組的安全性，修后實(shí)驗(yàn)印證了設(shè)計(jì)汽封的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和安全性能，超預(yù)期完成了改造目標(biāo)。具體的改造前后性能對(duì)比。

從江蘇某廠4#機(jī)汽封改造前后性能修前修后對(duì)比中可以看出，該機(jī)組熱耗值修前修正值比設(shè)計(jì)值高了281kJ/kWh，修后修正值較設(shè)計(jì)值略高70kJ/kWh，整體修后降低熱耗221kJ/kWh。

同時(shí)，在缸效提升方面：高壓缸效由修前81.93%提升至修后82.04%，提升0.11%，比設(shè)計(jì)值少了4.27%；中壓缸缸效由修前91.44%提升至修后91.52%，提升0.08%，比設(shè)計(jì)值低了0.18%。以上結(jié)果可以看出，在運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的汽封產(chǎn)品后，該廠4#機(jī)組的熱耗值明顯降低，高中壓缸效提升，整體效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過結(jié)合梳齒汽封和迷宮式汽封的優(yōu)點(diǎn)，并創(chuàng)造性地改進(jìn)腔體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的導(dǎo)流式減壓汽封，在流體模擬實(shí)驗(yàn)中獲得優(yōu)異表現(xiàn)，以提高30%的密封效果遠(yuǎn)超目前市場(chǎng)普遍運(yùn)用的梳齒汽封。

在實(shí)際電廠汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)用中，在機(jī)組想好和安裝方式相同的情況下，本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)流式減壓汽封對(duì)比傳統(tǒng)汽封也有35%～40%的性能提升。從實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明該汽封產(chǎn)品有著十分美好的市場(chǎng)前景。