摘 要:某石油化工企業(yè)催化裝置的汽輪機出現(xiàn)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(shù)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(huán)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(xiàn)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(yōu)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(shù),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(yè)的D50-14汽輪機在運行過程中出現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(shù)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(tài)下的大氣絕對溫度,K;pst為標準大氣壓,Pa;pr為環(huán)境壓力,Pa;Tr為環(huán)境溫度,K;p為泄漏空腔內壓力與環(huán)境壓力的差值,Pa;T為泄漏空腔內溫度與環(huán)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(shù),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(jiān)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(shù)值。
2.2 密封結構設計
2.2.1 蜂窩的參數(shù)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(huán)帶狀結構,其環(huán)帶寬度控制在10mm~50mm[2]。
2.2.2 結構參數(shù)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(shù)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(guī)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(qū)間內,格芯尺寸為3.2mm時的泄漏率最低。汽輪機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)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(tǒng)一設定為3.2mm,蜂窩深度設置為5種規(guī)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(shù)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(guī)格分別為0.05mm、0.10mm、0.30mm、0.50mm、1.00mm。密封間隙統(tǒng)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(xù)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(huán)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(huán)帶寬度涵蓋10.0mm、20.0mm、30.0mm、40.0mm、50.0mm、100.0mm6種規(guī)格。在特定介質壓力、環(huán)帶寬度和轉速下模擬泄漏率。結果顯示,當環(huán)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(huán)帶寬度的增加,泄漏率呈下降趨勢。換句話說,當環(huán)帶寬度較大時,有利于降低泄漏率。當環(huán)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(huán)帶寬度為50mm。
2.3 蜂窩密封裝置封嚴特性數(shù)值模擬
2.3.1 轉速與密封性能的關系
在數(shù)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)值在58.6mL/s~203.7mL/s。
對比數(shù)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??梢?,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(wěn)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(shù)見表5。
2.4.2 加工制作方法
從結構上來看,蜂窩密封環(huán)由2個部分組成,其一為基體環(huán)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(huán)板上,從而實現(xiàn)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(jié)的模擬試驗參數(shù),以GH3039高溫合金加工制造實體的蜂窩密封裝置,蜂窩環(huán)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(wěn)定性。試驗裝置為機械密封試驗臺,該裝置可支持轉速調節(jié),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(shù)值模擬的泄漏率。實測結果為4.7、10.6、15.5、22.7、24.7mL/s,數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)值模擬的泄漏率??梢?,該蜂窩密封裝置的封嚴性優(yōu)于理論值,達到了設計預期。
3.1.4 轉子穩(wěn)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(wěn)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(shù)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(wěn)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(yè)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(shù)包括蜂窩深度、環(huán)帶寬度、膜片厚度以及格芯尺寸,按照上文中的設計參數(shù)進行制造[8]。即格芯尺寸為3.2mm,環(huán)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(jiān)測汽輪機在實際運行時的介質泄漏情況,監(jiān)測時長為24個月,未出現(xiàn)明顯的泄漏。從轉子平穩(wěn)性來看,當汽輪機進入高速轉動區(qū)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(shù)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(shù)包括格芯尺寸、膜片厚度、蜂窩深度、環(huán)帶寬度。將泄漏率作為控制目標,經過數(shù)值模擬,以上四個參數(shù)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(huán)形。以真空釬焊的方式將蜂窩焊接在基體環(huán)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(xù)監(jiān)測24個月,觀測汽輪機的泄漏情況,結果并未出現(xiàn)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(wěn)定性得到明顯改善。
參考文獻
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