(1.四川大学化学工程学院 四川成都 610065；2.贵州赤天化股份有限公司 贵州赤水 564707)

迷宫密封是由一系列节流齿隙和膨胀腔构成的非接触式密封，由于其结构简单紧凑、性能稳定可靠、安装方便与成本低等优点而广泛应用在汽轮机、燃气轮机、离心压缩机等大型叶轮机械设备中。叶轮机械中为避免转子部件与静止部件发生摩擦引发安全问题，通常会在转子和静子之间留有一定的间隙。实际运行过程中，由于间隙的存在而发生流体泄漏，降低了机组的运行效率和经济性能。为了阻止流体泄漏，提高机组的整体效率，在叶轮机中不同部位设计了汽封。

影响迷宫密封泄漏特性的影响因素很多，如总体结构型式、流体流动特性、间隙尺寸、密封齿数及其倾斜角度等。目前，主要采用数值模拟和试验相结合的方式来研究迷宫密封的泄漏特性及其影响规律。MEYER和LOWRIE[1]采用实验方法对不同结构的轴向直通迷宫进行了研究，并绘制了试验曲线，为迷宫密封的计算研究提供了有利条件。MOORE[2]用CFD软件对迷宫密封腔进行三维数值模拟，分析了密封腔体内流体运动特性，并建立了直通射流剪切应力与发散角的关系。WITTIG等[3]通过试验研究发现在转子部件静止时,泄漏量主要与密封几何结构、压力比、流体物性、湍流黏度有关。李志刚、陈尧兴、丁学俊等[4-7]采用数值模拟与试验的方法对迷宫密封的泄漏特性进行了研究，得出压比、转速对迷宫密封泄漏特性和腔室压力的影响规律。李耕耘[8]对汽轮机内迷宫密封的动力特性进行了数值模拟，对直通式、交错式和高低式3种形式的迷宫密封进行了三维建模、定常与非定常计算，得出三者各自的泄漏量、主阻尼和交叉刚度等主要参数，通过分析迷宫密封内部流场云图，提出凸台数和交错结构个数对密封稳定性的影响规律。GAMAL和VANCE[9]试验研究了密封齿形状、厚度及转子部件偏心率对迷宫密封泄漏特性的影响，结果表明，对相同的密封装置和压力比，增加密封齿厚度会使泄漏量降低10%～20%。LIN等[10]用数值模拟的方法对交错迷宫密封进行结构改进，从设计思路上解决了迷宫密封结构对泄漏量的影响问题。周国宇、KONG、PAOLILLO等[11-13]通过数值模拟研究了高低齿迷宫密封内部流场，对比了不同压力比与转速下密封的泄漏特性，并通过实验进行了验证。宋占宽等[14]通过CFD软件对k-ε湍流模型下不同偏心率迷宫密封进行数值研究，分析不同间隙和压比对偏置迷宫密封泄漏特性的影响，结果表明：在偏心率不变的情况下，密封泄漏量随着节流间隙的增大而增加，随着压比的增大而增加，且在高压比工况下，泄漏量随偏心率的变化更为显著。

综上所述，目前关于迷宫密封泄漏特性的研究几乎都是通过理论分析和试验测试验证理论相结合的方法，并未对工程实际存在的泄漏问题提出可行的在线修复方案。在对汽轮机的日常维护和故障诊断及检修过程中，经常遇到各种汽封间隙与设备制造厂家提供的数据相差较大，如果严格按照设备制造厂的要求对汽轮机各部汽封间隙进行调整，不但检修工期长，备件消耗大，而且有的可能还需要返回厂家进行维修，影响生产进度。因此，如果能知道各种汽封间隙对机组的影响程度，检修过程中就能根据汽封的磨损程度科学地进行调整和更换，既能避免发生设备故障，又能达到节省检修费用的目的。

本文作者针对某化工厂汽轮机存在的叶顶汽封和主轴轴位移故障，使用ANSYS CFD软件对汽轮机叶顶汽封建立模型，采用二维模型研究了汽轮机叶顶汽封的径向间隙和轴向间隙对汽轮机泄漏量及汽轮机主轴位移的影响，提出合理的工作间隙。根据研究结果提出汽封在线技改方案，并通过实际运行证明该方案可行性。

1 汽轮机汽封故障分析

1.1 汽轮机主轴位移故障

某化工厂汽轮机设备全套进口于意大利，汽轮机为冷凝式设计，级间还设计有抽汽、注汽，汽轮机整体为单缸结构。运行参数：额定功率8 360 kW，转速7 200 r/min，进汽量(设计)8 700 kg/h，进汽压力(设计)3.8 MPa(绝)，进汽温度(设计)365 ℃。该汽轮机级数多，每一级的汽封尺寸不同，汽封结构如图1所示。对于给定的设备，δ与L为定值，文中δ=5 mm，L=20 mm。

图1 叶顶汽封局部结构图

该汽轮机从2011年开始出现轴位移异常增加，2013年2月7日发现轴位移增加到0.485 mm。紧急停车检修时，发现汽轮机推力轴承磨损严重，受力部位均匀磨损接近0.5 mm，而其他部件无任何异常。

1.2 汽轮机主轴位移故障分析

汽轮机工作时，蒸汽流经汽轮机做功，一方面推动叶轮旋转做功产生周向力，另一方面由于压差产生轴向推力。轴向推力的方向由蒸汽流入的高压侧指向低压侧，汽轮机每级轴向推力由级动叶片上的轴向推力，以及叶轮轮面上的轴向推力和汽封凸肩上的轴向推力组成[13，15-17]，如图2所示。

图2 汽轮机单元结构及轴向受力简图

作用在动叶片上的轴向推力为

F1i=G(c1sinα1-c2sinα2)+πdmlbΩm

(1)

式中：c1、c2分别为进入和流出动叶的蒸汽绝对速度，m/s；G为流过该级的质量流量， kg/s；α1、α2分别为动叶片的进汽和排汽相对汽流角；dm为该级动叶的平均直径，mm；lb为该级动叶叶高，mm；Ωm为该级平均焓降反动度，比压力反动度要稍大一点，冲动式汽轮机常取0.1～0.5；Δp为作用于该级静叶前压力p0和动叶后压力p2的差，即Δp=p0-p2，MPa。

作用在叶轮两侧的压力差产生的轴向力为

(2)

式中：dp为该级动叶处轮毂直径mm；n为该级叶轮平衡孔个数；db为该级叶轮平衡孔直径mm；Ωd为该级叶轮面处反动度，其中Ωd=(pd-p2)/(p0-p2)；pd为该级静叶后与动叶轮盘前汽室压，MPa。

轴封凸肩前后压差引起的轴向力为

(3)

式中：h为该级凸台平均高度,mm。

根据以上计算，可求得多级汽轮机任一级的总轴向力为

Fz=F1i+F2i+F3i

(4)

式中：Fz为总轴向力；F1i为动叶片轴向力；F2i叶轮两侧压差产生的轴向力；F3i为轴封凸台压差产生的轴向力。

根据对近几年该机组的检修情况及故障分析，结合汽轮机轴向力产生的理论分析，发现多级汽轮机的叶顶汽封磨损后，汽封泄漏量会显著增加，同时汽轮机各级级间压力上升，造成汽轮机轴向力的增大。推力轴承无法平衡过大的轴向推力，逐渐磨损。当推力轴承磨损到一定程度后，推力轴承进油隙将会被破坏，产生轴位移的突变情况。可见叶顶汽封泄漏量增加会加快轴承的磨损，从而影响到汽轮机主轴位移的变化。因此，判断汽轮机轴向位移产生是由于该汽轮机叶顶汽封磨损造成的。

对于工程实际问题，汽轮机各部件在真实工况下的受力更加复杂，使得单纯的理论分析无法对故障提供具体的技改措施和修复方案。目前，采用商业CFD软件对汽轮机进行流场数值模拟来分析汽轮机密封性能是一种可行的办法。因此,本文作者借助FLUENT软件对汽轮机叶顶汽封内部流场进行数值模拟，分析轴向间隙与径向间隙对汽封泄漏量及主轴位移的影响规律。

2 叶顶汽封流场数值模拟

2.1 汽封建模与网格划分

汽轮机叶顶汽封属于迷宫式密封，由许多密封齿组成，密封齿的设计较薄，一般在0.25 mm的厚度。相邻的两个密封齿之间，由密封齿和转子汽缸构成一个密封腔体，当蒸汽从高压侧流向低压侧通过密封齿隙时，流通面积变小、蒸汽速度增加，同时压力降低、温度降低(焓值减少)。当蒸汽通过密封齿隙进入密封腔体后流通面积突然变大，蒸汽速度降低、压力开始回升；同时在密封腔中蒸汽不断发生碰撞形成涡流，流速降低，蒸汽动能全部转化为热能，在整个过程中蒸汽的散热量与气流的总热量相比较小，可以忽略，故蒸汽焓值可恢复到原来的数值，即视作等焓过程[15]。

文中在数值计算过程中仅对某一级叶顶汽封结构进行模拟计算，因汽封结构的循环对称性，选取汽封环的循环对称面为研究对象进行模拟。使用Solidworks软件建立汽封二维模型，导入GAMBIT软件中进行网格节点划分，采用全四边形网格划分法。叶顶汽封示意图及二维模型网格划分结构如图3所示。

图3 汽封网格划分结构图

数值模拟过程中，网格的划分质量直接关系到计算结果的准确性，为保证网格的大小与结果无关，选择径向间隙值a为0.7 mm，轴向间隙值b为2.75 mm进行网格的无关性检验。将模型网格尺寸划分成0.1、0.05、0.025 mm 3种不同尺寸，相应的网格节点数为18745、74532、297720。导入FLUENT软件中进行模拟计算，得出不同网格尺寸下的定点出口质量流量监控，结果如图4所示。可看出：3种网格尺寸下收敛速度和最终稳态时间相似，综合考虑计算精度与计算时间，采用网格尺寸为0.05 mm，网格节点数为74532 的网格模型。

图4 不同网格尺寸下的出口质量流量监控图

将模拟流体定性为二维可压缩流体，计算区域边界条件采用presure-inlet与presure-outlet，具体参数如表1所示。当研究径向间隙a变化对汽封泄漏的影响时，模拟过程中取轴向间隙b为固定值2.75 mm，径向间隙a分别取0.7、1.3、1.9、2.5、3.1 mm进行模拟计算。

表1 边界参数值

根据FLUENT软件的计算，得出当b=2.75 mm时，不同径向间隙下，叶顶汽封流场的速度分布如图5所示。

图5 不同径向间隙下叶顶汽封速度分布云图

分析图5中各种几何尺寸下汽封的速度分布云图，可得出径向间隙值a对叶顶汽封的影响有如下特点：

(1)蒸汽在通过汽封齿隙的位置时速度明显增加，在压力差的推动下，蒸汽由高压侧向低压侧流动，在汽封齿位置流通面积变小，所以速度明显增加，此时蒸汽压力能转化为动能；同时温度降低(热焓值减少)。当径向间隙a由0.7 mm递增到3.1 mm时，可以看出对应出口的速度由小变大；径向间隙a越小，汽封齿隙的节流效应越明显。故径向间隙a是非常重要的设计参数，它关系到汽轮机汽封泄漏率的大小。

(2)蒸汽进入汽封迷宫腔室后，随着流通面积的增大，速度能逐渐减小，蒸汽产生了回流和涡流现象，这是因为当气体以高速进入两齿之间的环形腔室Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ时,体积突然膨胀产生强烈旋涡，涡流摩擦的结果使汽流的绝大部分动能转换为热能，热能又被腔室中的汽流吸收而温度升高，热焓又恢复到接近进入间隙前的值。因此，气体通过迷宫的过程，接近等焓熵增过程。

(3)随着径向间隙a的增加，产生回流和涡流的现象逐渐减弱，表明动能转换为热能的热力学过程进行不充分，压力下降不够，表现为迷宫密封变差，泄漏增加。在考虑零部件热膨胀的前提下，径向间隙值a设计得越小，迷宫密封的泄漏率越小。

叶顶汽封径向间隙a越小汽封的密封效果就越好；但径向间隙值a太小时，转子运行过程中由于存在制造偏差、转子弯曲、围带变形、转子热膨胀等因素的影响，容易造成转子部件与缸体静止部件的摩擦而损坏转子，故将汽轮机的径向间隙控制在设计值范围0.65～0.75 mm。

2.2.2 不同轴向间隙的模拟

根据上述方法，研究轴向间隙值b变化对汽封泄漏的影响时。模拟过程中取径向间隙a=0.75 mm，在总长度L不变的情况下，轴向间隙b分别取0.75、1.75、2.75、3.75、4.75 mm，采用FLUENT软件进行模拟计算，得到不同轴向间隙下叶顶汽封流场的速度云图如图6所示。

图6 不同轴向间隙下叶顶汽封速度分布云图

分析图6的汽封速度云图，可得出轴向间隙b值对叶顶汽封的影响规律有以下特点：

(1)在总长度L不变的前提下，叶顶汽封轴向间隙值b的改变，其速度云图的变化较小；随着轴向间隙b的增加，蒸汽泄漏稍有减小，随后泄漏又增加，因此应尽量控制轴向间隙b的变化范围。为了防止转子由于热膨胀、轴向串动发生轴向摩擦，将轴向间隙值b控制在设计值范围1～3.5 mm。

(2)随着轴向间隙值b的增加，漩涡主要集中在Ⅱ、Ⅲ腔体内且相似，但整体上II腔体较Ⅲ腔体漩涡多且速度大，因为随着汽封轴向间隙b的增加，在第Ⅱ区域的空间逐渐增加，气体动能耗散更加充分，速度能充分转化为压力能，所以速度降更快得到了调节，在进入第Ⅲ区域后则刚好相反。

2.3 在线修复方案与技改

根据研究结果提出对叶顶汽封的在线修复方案：叶顶汽封径向间隙a=0.65 mm，轴向间隙b=3.5 mm。对方案实施前后的轴位移实时监测趋势图进行比较，发现修复后的汽轮机运行良好，轴向位移始终维持在±0.2 mm，低于厂家规定的位移量(Δδ<±1.0 mm)，说明技改方案是可行的，验证了研究结论的正确性。

3 结论

(1)由数值模拟可知：蒸汽在进入叶顶汽封齿隙时速度能会增加，进入汽封腔室后，蒸汽的速度能降低，蒸汽产生回流和涡流现象。叶顶汽封的径向间隙值a越大，蒸汽在汽封中产生回流与涡流的现象就越少，迷宫密封的节流效应降低，泄漏增加；叶顶汽封径向间隙a越小，通过不断的回流与涡流降速增压，使叶顶汽封前后的压差变小，蒸汽在叶顶汽封中的泄漏降低。

(2)叶顶汽封的径向间隙a是影响机组效率的重要因素，径向间隙增大将导致汽封前后的压差增加，蒸汽的泄漏量增加，汽轮机的级间压力升高，汽轮机的级效率降低，汽轮机运行时的轴向推力增加，轴向推力增加到一定程度会导致推力轴承磨损，轴位移增加。因此，在满足机组动静部件不发生摩擦的情况下，将叶顶汽封的径向间隙控制在设计下限，有利于提高机组的效率与降低机组运行的轴向推力。

(3)在总长度L为定值时，汽轮机叶顶汽封的轴向间隙b对机组蒸汽的泄漏影响不大，适当地加大轴向间隙有利于提高蒸汽进入汽封时的平稳性。

(4)技改实践证明，总长度L为定值时，减小叶顶汽封径向间隙a，加大轴向间隙b对减小汽轮机轴向推力和降低泄漏量有明显效果。