迷宮式氣封泄漏流量理論計算與試驗驗證

曾 飛，吳 飛，李 冠

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

密封問題的設計研究在科學和技術領域都有非常重要的意義，對燃氣輪機以及航空和航天發動機等透平機械的設計尤為重要。迷宮式氣封作為旋轉機械中用來密封高壓氣體的必要部件，在世界主流燃氣輪機中獲得了廣泛的應用。在燃氣輪機通流級內，由于各級前后存在有較大的壓差，在動葉頂部、靜葉底部的動靜間隙處存在泄漏損失，使燃氣輪機的效率降低。為了提高機組的效率，在燃氣輪機中廣泛采用迷宮式氣封，使通過的高溫高壓工作氣體產生節流與熱力學效應從而達到密封效果，因此降低泄漏損失成為世界各國燃氣輪機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，隨著單機參數、效率的不斷提高以及機組頻繁的調峰運行，幾乎每年都有動靜碰磨事故發生，給電廠帶來重大的損失。如何在密封性能和運行安全性這對矛盾中間找到最佳平衡點，就成為迷宮式氣封設計的關鍵。

設計者在進行燃氣輪機整機方案設計階段，對于迷宮式氣封的選型，首要關注的就是氣封泄漏流量。當前，計算迷宮式氣封泄漏流量的方法[1]主要有阿道夫·艾格力的經驗計算方法、Flowmaster 程序數值模擬計算方法、計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD） 程序數值模擬計算方法等。

采用Flowmaster 和CFD 程序數值模擬計算方法，不僅需要建立數值分析模型，而且計算過程需要耗費相當長時間，對計算機的要求也非常高；而采用阿道夫·艾格力的經驗計算方法[1]，如果將計算公式編制成Excel 計算程序，僅僅需要輸入若干個參數，瞬間即可輸出泄漏流量結果，設計者可以快速嘗試不同參數的迷宮式氣封，挑選出最佳參數。然而，不管采用哪種計算方法，其計算結果的可靠性只能通過試驗的方式加以驗證。

1 阿道夫·艾格力迷宮式氣封泄漏流量計算方法

該經驗計算方法[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的流動公式；二是基于氣封間隙和齒頂寬度的壓縮因子；三是對于直通齒迷宮式氣封，定義了一個基于氣封間隙、氣封節距、氣封齒數的載越因子。圖1 為設計的迷宮式氣封結構圖。

圖1 迷宮式氣封結構圖

迷宮式氣封結構參數：進口壓力P1=136 kPa；進口溫度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；氣封節距S=4 mm；氣封齒數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驗計算方法[1]選取。使用阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經驗計算方法[1]，計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驗證

1） 試驗臺工作原理。圖2 為氣封試驗臺系統圖；圖3 為氣封試驗臺實物圖?？諝饨浶×髁?、大壓比羅茨鼓風機壓縮后，經出口消音器進入儲氣罐，再經渦輪流量計進入試驗臺本體，由試驗臺本體中的氣封裝置排入大氣。為保證運行安全，儲氣罐上方設有安全閥，以保證系統超壓時能迅速打開安全閥泄壓。儲氣罐設有調節閥和放空閥，以調整所需要的進氣壓力，從而保證試驗所需要的壓比。因為氣封裝置的間隙是氣體流經調節閥后的唯一出口，所以通過渦輪流量計的質量流量即為該氣封裝置在某工況下的泄漏流量。

圖2 氣封試驗臺系統圖

圖3 氣封試驗臺實物圖

2） 氣封試驗臺本體結構。在氣封試驗臺的設計中，為了盡量保證氣封進氣均勻性，采用從進氣管道軸向進氣，氣流在筒體中均勻后，進入氣封裝置的間隙。由于試驗臺筒體采用整圈結構，氣封裝置的間隙是氣流泄漏的唯一通道，則進氣的質量流量即為氣封的泄漏流量。圖4 為氣封試驗臺本體結構，由變頻電機、試驗轉子、氣封裝置、筒體、基架及軸承組成。

圖4 氣封試驗臺本體結構

3） 氣源選擇。由于燃氣輪機的氣封前后壓比一般小于2，而氣封的漏氣量為小間隙流，從經濟性和測試功能兩方面考慮，最終選擇一臺小流量、大壓比羅茨鼓風機，試驗壓比最大可達1.7~1.8，最大進口流量可達14.7 m3/min。

4） 管路設計。為了使高壓氣體壓力穩定，以保證進入氣封裝置的壓力不致波動太大，從而保證測試精度，系統配備了一個1 m3儲氣罐。經過鼓風機升壓后的氣體經過管道打入儲氣罐，儲氣罐出口管道上設有調節閥和放空閥，二者配合動作可調節閥后壓力，達到所需要的氣封進口壓力，調節閥后的氣體經過一段足夠長度的直管后，進入流量測量儀表，然后進入氣封試驗裝置。

5） 氣封試驗結果。通過試驗驗證，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驗計算方法[1]，計算出的理論泄漏流量為0.167 kg/s，相對于試驗結果，偏差為（0.167-0.138 9） /0.138 9=20.2%。從而可以得出結論：阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經驗計算方法[1]滿足工程應用要求。

3 迷宮式氣封泄漏流量計算程序

通過Excel 表格，應用阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經驗計算方法[1]中的計算公式，編制迷宮式氣封泄漏流量計算程序，根據輸入結構和氣體參數，計算氣封臨界壓比和氣封泄漏流量。

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

氣封臨界壓比計算過程與結果：絕熱指數k=1.4；齒數n=10；臨界壓比β=0.231 2；進口壓力P1=136 kPa；進口溫度T1=318 K；出口背壓P2=95.7 kPa；壓比π=0.704。由于未達到臨界狀態，因此臨界壓力Pcr、絕熱等熵膨脹后溫度T2、靜溫度降△T的數據均不存在。

氣封泄漏流量計算過程與結果：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；串聯氣封流量一致調整的間隙-節距比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%。

通過該計算程序，只需要輸入綠色表格內的參數，即可瞬間獲得需要的泄漏流量。

4 結束語

燃氣輪機迷宮式氣封結構基本類似，本文通過試驗的方式，驗證了阿道夫·艾格力的迷宮式氣封泄漏流量經驗計算方法[1]，得出的結論是：該計算方法滿足工程應用要求。為了快速計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驗計算方法[1]編制成一個簡單實用的計算程序，僅僅需要輸入若干個參數，瞬間即可輸出泄漏流量結果，設計者可以快速嘗試不同參數的迷宮式氣封，挑選出最佳參數。