蜂窩密封加工工藝在汽輪機(jī)上的應(yīng)用研究

摘 要：某石油化工企業(yè)催化裝置的汽輪機(jī)出現(xiàn)了軸封泄漏的情況，原設(shè)計(jì)方案為梳齒迷宮密封結(jié)構(gòu)，屬于較落后的密封技術(shù)。為了解決相關(guān)問題，擬定采用蜂窩密封對原軸封方式進(jìn)行改造。研究過程分析了密封機(jī)理，以降低泄漏率為判斷依據(jù)，運(yùn)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(zhuǎn)速和密封間距對密封性能的影響，進(jìn)而確定了最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jīng)實(shí)測，該密封裝置在24個月內(nèi)未出現(xiàn)泄漏，同時降低了轉(zhuǎn)子的振動效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；蜂窩密封加工工藝；應(yīng)用方法

中圖分類號：TK 263" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高溫蒸汽具有較大的壓力，當(dāng)其通過汽輪機(jī)時，將蒸汽的熱能和動能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能，良好的密封性能夠提高能量的轉(zhuǎn)化率。D50-14汽輪機(jī)采用早期的梳齒迷宮密封技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)為封嚴(yán)效果差，逐漸被淘汰。蜂窩密封屬于當(dāng)前主流的軸封設(shè)計(jì)方案，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要通過理論分析和試驗(yàn)確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為加工制造提供明確的依據(jù)。

1 汽輪機(jī)概況

某石油化工企業(yè)的D50-14汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了軸封泄漏的情況，該汽輪機(jī)應(yīng)用于催化裝置，正常運(yùn)行條件見表1。為了保證生產(chǎn)安全，需要針對泄漏問題進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)改造。

現(xiàn)階段，在煉油用汽輪機(jī)軸端密封設(shè)計(jì)中，主要的技術(shù)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(shù)，其優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝

2.1 密封機(jī)理及泄漏率檢測方法

2.1.1 密封機(jī)理

蜂窩密封因結(jié)構(gòu)類似蜂巢而得名，每一個蜂窩均為六邊形，當(dāng)汽輪機(jī)的高溫工作蒸汽通過蜂窩結(jié)構(gòu)時，六邊形網(wǎng)格對氣流形成切割作用，從而產(chǎn)生大量弱小的氣流，并且這些氣流在網(wǎng)格內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為熱能[1]。按照這一機(jī)理，與蜂窩的表面相比，其底部氣體的溫度和壓力更高，在內(nèi)外表面形成溫度差和壓力差。由于蜂窩表面壓力低，當(dāng)蒸汽通過蜂窩結(jié)構(gòu)時，工作氣體將被吸附進(jìn)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(jì)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(dāng)評價蜂窩密封結(jié)構(gòu)的性能時，采用的指標(biāo)為泄漏率，如公式（2）所示。

（2）

式中：LR為泄漏率，mL/s；Tst為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣絕對溫度，K；pst為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)壓力與環(huán)境壓力的差值，Pa；T為泄漏空腔內(nèi)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(nèi)壓力的變化量，Pa；ΔT為泄漏時空腔內(nèi)溫度的變化量，K。

當(dāng)檢測蜂窩密封裝置的泄漏率時，可采用壓降法，試驗(yàn)介質(zhì)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(yàn)過程中不同階段的氣體壓力，再根據(jù)公式（2）計(jì)算出不同工況下的泄漏率數(shù)值。

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(nèi)表面為正六邊形，由膜片形成格芯。在實(shí)際應(yīng)用中，可對蜂窩格芯的尺寸進(jìn)行調(diào)整，膜片的厚度通常設(shè)計(jì)為0.05mm～1.0mm，蜂窩的深度大多設(shè)計(jì)為1.6mm～6.0mm。所有的蜂窩構(gòu)成一個環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)，其環(huán)帶寬度控制在10mm～50mm[2]。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響

2.2.2.1 格芯尺寸與密封性能的關(guān)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(guān)系，利用Solidworks軟件建立蜂窩密封結(jié)構(gòu)的三維模型，設(shè)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(jì)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(shè)置其在不同溫度下的屈服應(yīng)力。當(dāng)溫度為400℃時，屈服應(yīng)力為689MPa，當(dāng)溫度達(dá)到500℃時，屈服應(yīng)力的取值為718MPa。將蜂窩格芯的尺寸設(shè)計(jì)為4種規(guī)格，分別為0.8mm、1.6mm、3.2mm、4.0mm，介質(zhì)壓力設(shè)置為0.2MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa。密封間隙設(shè)置為0.3mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定為1400rad/min。利用仿真軟件計(jì)算泄漏量，結(jié)果見表2。

當(dāng)格芯尺寸固定時，泄漏率和介質(zhì)壓力成正相關(guān)。當(dāng)介質(zhì)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(dāng)介質(zhì)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(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)其達(dá)到5600rad/min的高轉(zhuǎn)速水平時，在0.2MPa～2.0MPa的壓力區(qū)間內(nèi)，格芯尺寸為3.2mm時的泄漏率最低。汽輪機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，轉(zhuǎn)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(guān)系

將格芯尺寸統(tǒng)一設(shè)定為3.2mm，蜂窩深度設(shè)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(shè)定為0.3mm，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)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(zhì)壓力從0.2MPa提升至2.0MPa，分別模擬計(jì)算不同介質(zhì)壓力下的泄漏率[4]。模擬結(jié)果顯示，無論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為多少，當(dāng)介質(zhì)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(dá)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(guān)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(shè)定為3.2mm、6.0mm，在此基礎(chǔ)上模擬最佳的膜片厚度，設(shè)計(jì)規(guī)格分別為0.05mm、0.10mm、0.30mm、0.50mm、1.00mm。密封間隙統(tǒng)一設(shè)定為0.30mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速涵蓋1400rad/min、3000rad/min、5600rad/min三個級別。介質(zhì)壓力從0.2MPa提升至2.0MPa，在特定的價值壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和膜片厚度下模擬泄漏率。模擬結(jié)果顯示，在介質(zhì)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(dāng)介質(zhì)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(yīng)為0.05mm。

2.2.2.4 環(huán)帶寬度與密封性的關(guān)系

將蜂窩密封的格芯尺寸、膜片厚度以及蜂窩深度分別設(shè)定為3.2mm、0.05mm、6.0mm，密封間隙取值為0.03mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然為1400rad/min、3000rad/min、5600rad/min3個級別。介質(zhì)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(zhì)壓力、環(huán)帶寬度和轉(zhuǎn)速下模擬泄漏率。結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)帶寬度不變時，泄漏率與介質(zhì)壓力成正相關(guān)。當(dāng)介質(zhì)壓力保持不變時，在不同的轉(zhuǎn)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(dāng)環(huán)帶寬度較大時，有利于降低泄漏率。當(dāng)環(huán)帶寬度達(dá)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(yán)特性數(shù)值模擬

2.3.1 轉(zhuǎn)速與密封性能的關(guān)系

在數(shù)值模擬中，將密封間隙和軸徑分別設(shè)置為0.03mm、100mm，蒸汽介質(zhì)的溫度設(shè)定為230℃，壓力統(tǒng)一設(shè)定為2.0MPa。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)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(jù)可知，原設(shè)計(jì)方案為梳齒密封結(jié)構(gòu)，隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的提高，泄漏率呈下降趨勢。另外，對比3種結(jié)構(gòu)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(guān)系

將密封間隙分別設(shè)置為0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.30mm、0.45mm、0.60mm，再運(yùn)用梳齒蜂窩密封結(jié)構(gòu)、蜂窩密封結(jié)構(gòu)、梳齒迷宮密封結(jié)構(gòu)分別開展泄漏率模擬，蒸汽介質(zhì)的壓力為2.0MPa，蒸汽溫度為230℃，模擬結(jié)果見表4。當(dāng)采用梳齒蜂窩密封結(jié)構(gòu)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(dāng)采用蜂窩密封結(jié)構(gòu)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(dāng)采用梳齒迷宮密封結(jié)構(gòu)時，泄漏率與密封間隙的大小成正相關(guān)，泄漏率的模擬數(shù)值在58.6mL/s～203.7mL/s。

對比數(shù)據(jù)可知，梳齒蜂窩密封的最大泄漏率最小，其次為蜂窩密封；當(dāng)密封間隙相同時，泄漏率按照從小到大的排序結(jié)果為梳齒蜂窩密封結(jié)構(gòu)、蜂窩密封結(jié)構(gòu)、梳齒迷宮密封結(jié)構(gòu)?？梢姡猃X蜂窩密封結(jié)構(gòu)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(jī)的工作介質(zhì)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(jīng)過篩選，GH3039高溫合金能夠滿足相關(guān)要求，其性能參數(shù)見表5。

2.4.2 加工制作方法

從結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)蜂窩底部封堵。具體安裝時，將蜂窩密封設(shè)置在密封腔的內(nèi)側(cè)。

3 蜂窩密封工程試驗(yàn)及其在汽輪機(jī)上的應(yīng)用分析

3.1 蜂窩密封裝置工程試驗(yàn)

3.1.1 樣品制造

按照第2小節(jié)的模擬試驗(yàn)參數(shù)，以GH3039高溫合金加工制造實(shí)體的蜂窩密封裝置，蜂窩環(huán)帶的寬度為50mm。

3.1.2 試驗(yàn)裝置

在工程試驗(yàn)中，主要檢測實(shí)體裝置的泄漏率和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。試驗(yàn)裝置為機(jī)械密封試驗(yàn)臺，該裝置可支持轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，試驗(yàn)過程采取兩種轉(zhuǎn)速，分別為3000rad/min、5600rad/min。

3.1.3 泄漏率試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000rad/min時，介質(zhì)壓力分別設(shè)定為0.2MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa，對比實(shí)測的泄漏率和數(shù)值模擬的泄漏率。實(shí)測結(jié)果為4.7、10.6、15.5、22.7、24.7mL/s，數(shù)值模擬的結(jié)果為4.1、13.8、23.5、28.2、30.7mL/s。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5600rad/min時，在相同的介質(zhì)壓力下，實(shí)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(shí)測結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000rad/min，并且介質(zhì)壓力為0.5MPa～2.0MPa時，實(shí)測的泄漏率低于數(shù)值模擬的泄漏率。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5600rad/min、介質(zhì)壓力在0.5MPa～2.0MPa時，實(shí)測的泄漏率同樣低于數(shù)值模擬的泄漏率。可見，該蜂窩密封裝置的封嚴(yán)性優(yōu)于理論值，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

3.1.4 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析

D50-14汽輪機(jī)的原設(shè)計(jì)方案采用梳齒迷宮密封裝置，改用蜂窩密封裝置后，需要驗(yàn)證其轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響，以達(dá)到良好的工程效果。以試驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，分別在不安裝密封裝置和安裝密封裝置的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，利用非接觸位移傳感器檢測徑向跳動[6]。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000rad/min時，在不安裝蜂窩密封裝置的情況下，轉(zhuǎn)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(zhì)壓力下，轉(zhuǎn)子徑向跳動的幅值為0.061mm～0.070mm，小于0.074mm。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5600rad/min時，在不安裝蜂窩密封的情況下，轉(zhuǎn)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(zhì)壓力下，轉(zhuǎn)子徑向跳動的幅值為0.66mm～0.079mm，均小于0.083mm。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在安裝蜂窩密封裝置后，轉(zhuǎn)子的徑向跳動幅值明顯更小，說明轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性有所提高[7]。

3.2 蜂窩密封裝置在汽輪機(jī)上的應(yīng)用分析

3.2.1 針對汽輪機(jī)的蜂窩密封設(shè)計(jì)

該企業(yè)針對催化工段D50-14汽輪機(jī)軸端密封泄漏的問題，采用蜂窩密封裝置進(jìn)行改造，代替原有的梳齒密封裝置。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)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(jīng)測量，蜂窩密封裝置與汽輪機(jī)軸徑的實(shí)際間隙僅為0.13mm，小于0.30mm。

3.2.2 實(shí)際運(yùn)行效果

改造完成之后，監(jiān)測汽輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時的介質(zhì)泄漏情況，監(jiān)測時長為24個月，未出現(xiàn)明顯的泄漏。從轉(zhuǎn)子平穩(wěn)性來看，當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)入高速轉(zhuǎn)動區(qū)間后，軸徑向振動的幅值從6.6mm降至4.5mm。

4 結(jié)語

D50-14汽輪機(jī)的軸端密封采用早期的梳齒迷宮密封結(jié)構(gòu)，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(shù)較為落后，不能滿足實(shí)際需求。在結(jié)構(gòu)改造中，擬定采用蜂窩密封，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(biāo)，經(jīng)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(jié)構(gòu)，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(jī)的軸封，連續(xù)監(jiān)測24個月，觀測汽輪機(jī)的泄漏情況，結(jié)果并未出現(xiàn)明顯的泄漏。另外，改用蜂窩密封之后，汽輪機(jī)高速轉(zhuǎn)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。

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