引進機蜂窩密封設計技術

溫鳳春，王 旭，霍妍妍

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

引進機蜂窩密封設計技術

溫鳳春，王 旭，霍妍妍

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

通過對GT25000燃氣輪機蜂窩密封應用情況的分析研究，詳細論述了高壓壓氣機、高低壓渦輪以及動力渦輪的蜂窩密封材料、結構形式和尺寸、分布情況、安裝方式、密封間隙等情況，簡要概述了蜂窩密封的焊接和以往蜂窩密封的研究，為開展蜂窩密封數值模擬研究、試驗件的設計以及密封試驗的開展提供基礎支撐。

燃氣輪機;蜂窩密封;結構;安裝

0 引言

在高速旋轉的葉輪機械中，為了提高效率，減少泄漏，維持各個腔室的工作壓力，保持主機正常高效的工作，通常需要采用各種封嚴措施。梳齒式密封和蜂窩密封是非接觸式動態密封中應用最廣泛的2種。隨著現代葉輪機械向著高參數方向發展，要求密封間隙越來越小，而梳齒式密封轉子流體激振的問題也越來越突出。相比之下，采用蜂窩密封結構的轉子，其動態特性明顯優于梳齒式密封，封嚴效果也好于梳齒式密封。因此，蜂窩式密封正在高效大功率流體機械中取得越來越廣泛的應用。GT25000燃氣輪機機組，以其高效、大功率受到用戶好評。該機組在高壓壓氣機和高低壓渦輪及動力渦輪等處都廣泛采用了蜂窩密封的封嚴措施。本文收集整理了GT25000燃氣輪機［1］蜂窩密封的應用情況，并分別對高壓壓氣機、高低壓渦輪以及動力渦輪的蜂窩密封使用情況進行了詳細論述。

1 GT25000燃氣輪機蜂窩密封結構

蜂窩密封有較強的耐高溫能力，結構強度也較好，可以承受很高的氣流壓力。由于蜂窩壁厚很薄，在發生動靜碰磨時，首先磨損的是蜂窩靜子，而不會傷及轉子。因此，蜂窩密封的間隙一般都較小，特別是當轉子帶有梳齒時，甚至可以達到0安裝間隙，運轉后，轉子上的梳齒切入蜂窩帶中，封嚴效果大大提高。同時，還提供了較大的阻尼，能有效抑制轉子的振動。GT25000燃氣輪機機組多處采用了蜂窩密封，以提高機組的性能。

1)高壓壓氣機

高壓壓氣機共有14處采用了蜂窩密封結構，其余為金屬陶瓷和石墨密封結構。在高壓壓氣機后機匣與高壓壓氣機后軸頸和高壓渦輪前支承環配合處采用了階梯式蜂窩密封結構，以減少壓縮氣體的泄漏并防止高溫高壓氣體進入軸承腔;在高壓壓氣機通流部分采用了級間蜂窩密封結構，蜂窩密封環安裝在1～8級靜葉環上，與轉子的梳齒共同組成氣封阻擋壓氣機級之間空氣的泄漏，以提高壓氣機的工作效率。

高壓壓氣機上的蜂窩密封環均為分半式結構，由基體環和蜂窩帶構成，二者采用真空釬焊焊接，基體環為矩形薄板，蜂窩帶為六邊形的蜂窩孔形式。在高壓壓氣機后機匣與高壓壓氣機后軸頸和高壓渦輪前支承環配合處的每個基體環切出了3個槽，其中2個長槽安裝時與T型槽配合并在安裝后彎起直角邊在周向起定位作用，左側小槽是為便于拆卸，此處的蜂窩帶厚為0.05 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)2.9 mm，蜂窩深2.5 mm。在高壓壓氣機1～8級靜葉環上的基體環依靠兩側的彎邊固定在靜葉環上，周向采用沖凹坑鎖緊，此處的蜂窩帶厚為0.1 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)2.9 mm，蜂窩深2.2 mm。蜂窩環的安裝如圖1所示。

圖1 后機匣和靜葉環的蜂窩密封環安裝圖Fig.1 Installation for honeycomb seal of casing and carrier ring

蜂窩密封環的基體環采用1Cr18Ni9Ti鋼板。該材料具有良好的可焊性、良好的塑性和韌性以及優良的抗氧化酸均勻腐蝕性能，焊后不需要熱處理，在900℃以下連續工作性能穩定，多用于制造發動機的管件和焊接件;蜂窩帶的材料GH3030鋼帶具有好的熱強性和高的塑性，良好的抗氧化性、熱疲勞性、冷沖壓和焊接工藝性能，多用于800℃以下工作的渦輪發電機燃燒室部件。與蜂窩密封環配合的轉子均采用梳齒結構，梳齒的齒數為2～6不等，齒距為4 mm，齒高為3.9 mm，齒頂寬為0.3－0.15mm。

蜂窩密封直徑密封間隙為0.35～1.58 mm，密封環直徑為Ф208～Ф579.5 mm，根據蜂窩密封結構尺寸分布情況總結得，密封間隙是隨密封環直徑的增大而增大的，但在密封環直徑為Ф579.5 mm的第5和第6級靜葉環處密封間隙變小，原因是此處間隙的大小直接影響壓氣機性能，減小間隙是為了提高壓氣機的效率。密封間隙不僅與密封直徑有關，還與密封處工質的壓力、溫度以及轉子的線速度等因素有關。

2)高壓渦輪

高壓渦輪有4處采用了蜂窩密封結構，其余為金屬陶瓷和石墨密封結構。在高壓渦輪盤和一級導向器采用了蜂窩密封結構，以減少燃氣的串流量;在高壓渦輪葉頂采用了蜂窩密封結構，用于阻擋燃氣在渦輪級之間的泄漏，提高高壓渦輪的效率。

在高壓渦輪葉頂蜂窩密封環采用整體結構，其余部位的蜂窩密封環為分半結構，由基體環和蜂窩帶構成，二者采用真空釬焊焊接，基體環為矩形薄板，蜂窩帶為六邊形的蜂窩孔形式。在高壓渦輪葉頂處的整體蜂窩密封環為分半的熔模鑄造件，是通過密封環上的槽形結構安裝在渦輪機匣上，周向采用緊定螺釘定位。蜂窩是用電火花加工的正方形孔，蜂窩壁厚為0.2～0.4 mm，蜂窩芯格尺寸為3×3 mm，蜂窩深為2.5 mm。高壓渦輪盤上的蜂窩密封環隨高壓渦輪同時轉動并與低壓渦輪盤的梳齒形成配合。該蜂窩密封環采用T型槽安裝，周向采用銷釘定位，此處的蜂窩帶厚為0.05 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)為2.9 mm，蜂窩深3 mm。其余部位的蜂窩密封環依靠基體環一側或兩側的彎邊固定在結構上，周向采用沖凹坑進行鎖緊，此處的蜂窩帶厚為0.1 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)為2.9 mm，蜂窩深為2.25～3 mm。蜂窩環的安裝如圖2所示。

頻率是電力系統穩定運行的重要指標[1]。隨著負荷類型的不斷增加,尤其是電動汽車的大量應用,使得電力系統中負荷需求功率具有更大的波動性,因此系統頻率控制也變得更為重要。

高壓渦輪處蜂窩密封環的蜂窩帶采用GH3030鋼帶，基體環采用GH3030鋼板或1Cr18Ni9Ti鋼板，材料的選取主要取決于環境溫度。整體蜂窩密封環材料為10Cr30Ni5WMoAiTiNb。該材料特性可參見哈爾濱汽輪機廠有限責任公司企業標準B/HJ521－2004。高低壓渦輪與蜂窩密封環配合的轉子均采用梳齒結構，葉頂梳齒的齒高和齒距均不等，輪盤上的梳齒齒數為2～6不等，齒距為4 mm，齒高為3.9 mm，齒頂寬為0.3－0.15mm。

圖2 高壓渦輪葉頂和渦輪盤的蜂窩密封環安裝圖Fig.2 Installation for honeycomb seal of HP turbine rotating blade and turbine wheel

高壓渦輪處直徑密封間隙為0.85～2.8 mm，密封直徑為Φ305～Φ952.6 mm。根據蜂窩密封結構尺寸分布情況總結得，密封間隙基本是隨密封直徑的增大而增大的，但在直徑為Φ745 mm高壓渦輪1級導向器與高壓渦輪輪盤配合處間隙值變小，此處減小間隙是為了減少燃氣的竄流量，以提高高壓渦輪的工作效率。密封間隙不僅與密封直徑有關，還與密封處工質的壓力、溫度以及線速度等因素有關。

3)低壓渦輪

低壓渦輪共有8處采用了蜂窩密封結構，其余為金屬陶瓷和石墨密封結構。在低壓渦輪轉子處采用蜂窩密封結構，以保證用以冷卻轉軸氣體的最小泄漏;在二級導向器和低壓渦輪支承環處采用了蜂窩密封結構，減少燃氣的串流量;在低壓渦輪葉頂采用了蜂窩密封結構，阻擋燃氣在渦輪級之間的泄漏，以提高低壓渦輪的工作效率。

不同于高壓渦輪葉頂用電火花加工的整體式蜂窩密封結構，低壓渦輪葉頂蜂窩密封環是將分半的蜂窩帶直接焊接在渦輪機匣上。其余部位的蜂窩密封環為分半式結構，由基體環和蜂窩帶構成，二者采用真空釬焊焊接，基體環為矩形薄板或鍛件，蜂窩帶為六邊形的蜂窩孔形式。在低壓渦輪葉頂處的蜂窩帶厚為0.1 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)為2.9 mm，蜂窩深為2.5 mm，。在低壓渦輪軸上與高壓壓氣機轉軸配合的蜂窩密封環采用銷釘定位，該蜂窩密封環為鍛件，是隨低壓渦輪轉子轉動的，此處的蜂窩帶厚為0.05 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)為2.9 mm，蜂窩深為2.25 mm。其余部位的蜂窩密封環依靠基體環一側或兩側的彎邊固定在結構上，周向采用沖凹坑鎖緊，此處的蜂窩帶厚為0.1 mm，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)為2.9 mm，蜂窩深為2.5～2.85 mm。蜂窩環的安裝如圖3所示。

圖3 低壓渦輪葉頂和渦輪軸的蜂窩密封環安裝圖Fig.3 Installation for honeycomb seal of LP turbine rotating blade and turbine shaft

低壓渦輪處蜂窩密封環的蜂窩帶采用GH3030鋼帶，基體環采用 GH3030鋼板、1Cr18Ni9Ti鋼板或1Cr12Ni3MoVN鍛件，材料的選取主要取決于環境溫度。低壓渦輪轉子處基體環材料采用1Cr12Ni3MoVN，該材料特性可參見哈爾濱汽輪機廠有限責任公司企業標準B/HJ506－2004。低壓渦輪與蜂窩密封環配合的轉子均采用梳齒結構，葉頂梳齒的齒高和齒距均不等，輪盤上的梳齒齒數為2～6不等，齒距為4 mm(低壓渦輪轉子處為3 mm)，齒高為3.9 mm(低壓渦輪轉子處為3 mm)，齒頂寬為0.3－0.15mm。

高低壓渦輪處直徑密封間隙為0.75～2.55 mm，密封直徑為Φ147.8～Φ1022.8 mm，根據蜂窩密封結構尺寸分布情況總結得，密封間隙基本是隨直徑的增大而增大的，但在直徑為Φ745.4 mm高低壓渦輪1級和2級導向器與高壓渦輪輪盤配合處密封間隙值變小，此處減小間隙是為了減少燃氣的竄流量，提高高壓渦輪的工作效率。高壓渦輪的密封間隙不僅與密封直徑有關，還與密封工質的壓力、溫度以及轉子的線速度等因素有關。

4)動力渦輪

動力渦輪有6處采用了蜂窩密封結構，其余為金屬陶瓷和石墨密封結構。在動力渦輪支承環處采用蜂窩密封結構，防止燃氣進入軸承腔，保證軸承正常工作;在4～6級導向器處采用蜂窩密封結構，以確保隔板形成的腔室間燃氣竄流量最小;動力渦輪葉頂采用蜂窩密封結構，阻擋燃氣在動力渦輪級之間的泄漏，提高動力渦輪的工作效率。

動力渦輪蜂窩密封環由基體環和蜂窩帶構成，二者采用真空釬焊焊接，密封環為分半式結構，基體環為板件或鑄件，蜂窩帶為六邊形的蜂窩孔形式。在動力渦輪葉頂處蜂窩密封的基體環為分半的熔模鑄造件，通過基體環上的槽形結構安裝在渦輪機匣上，周向采用凹槽定位。蜂窩帶厚為0.1 mm，蜂窩芯格尺寸為2.9 mm，蜂窩深為3.05 mm和3.4 mm。其余部位的蜂窩密封環依靠基體環一側或兩側的彎邊固定在結構上，周向采用沖凹坑鎖緊。此處的蜂窩帶厚為0.1 mm(動力渦輪轉子配合處0.05 mm)，蜂窩芯格尺寸(對邊尺寸)為2.9 mm，蜂窩深為2.5～3.3 mm。蜂窩環的安裝如圖4所示。

圖4 動力渦輪葉頂和5級導向器的蜂窩密封環安裝圖Fig.4 Installation for honeycomb seal of power turbine rotating blade and fifth guide vane

動力渦輪蜂窩密封環的蜂窩帶材料采用GH3030鋼帶，基體環采用GH3030鋼板、1Cr18Ni9Ti鋼板或10Cr30Ni5WMoAiTiNb熔模鑄件，材料的選取主要取決于環境溫度。與動力渦輪蜂窩密封環配合的轉子均采用梳齒結構，齒數為2～7個，齒距為4 mm，齒高為3.9 mm，齒頂寬為0.15～0.3 mm。

動力渦輪處直徑密封間隙為0.3～7.45 mm，密封直徑為Φ265.3～Φ1905.2 mm。根據蜂窩密封結構尺寸分布情況總結得，密封間隙基本是隨直徑的增大而增大，但在直徑為Φ948 mm動力渦輪4級和6級導向器隔板與轉子配合處密封間隙變小。此處減小密封間隙是為了減少燃氣在隔板形成腔室間的竄流量。動力渦輪密封的密封間隙不僅與密封直徑有關，還與密封處的工質溫度、壓力以及轉子的線速度等因素有關。

2 蜂窩密封的焊接及檢驗［2］

蜂窩密封環焊接前用丙酮脫油脂并應進行外觀檢查，焊接處基體環與蜂窩帶之間應緊密地貼在一起，不允許有間隙。釬焊在真空爐內進行，釬焊材料為BNi73CrSiB－40Ni－S(Q/703J59－05)，壓力由1.33×10－1到1.33 ×10－2Pa，釬焊溫度 1 080 ℃，持續時間 2 min。

焊接后應進行外觀檢查，允許基體環與蜂窩帶局部不焊透，沿蜂窩帶每隔15 mm，面積20 mm2，總面積不超過5%。允許蜂窩帶局部熔蝕，沿蜂窩帶每隔15 mm，面積20 mm2，總面積不超過5%。允許蜂窩帶有不大于0.5 mm寬度的起層，長度不超過密封環組件長度的一半，數量不多于2處。高溫真空釬焊后，利用電火花加工方法來得到蜂窩密封環內孔直徑的最終精確尺寸。

3 以往蜂窩密封研究概述

本文對以往進行的一些有關蜂窩密封試驗［3－7］的試驗件結構尺寸進行了歸納。以往蜂窩密封試驗所采用的芯格尺寸為0.8 mm和1.6 mm系列，選用此系列源于將蜂窩密封環靜止件簡化為梳齒迷宮密封模型的計算，計算結果為迷宮空腔寬度(芯格尺寸)約為0.8～1.6 mm左右時泄漏量最小。芯格尺寸也有選用3.2 mm，此結構與上述理論有一定不符，但在GT25000燃機上采用的芯格尺寸為2.9 mm，與此尺寸相近，說明蜂窩密封環靜止件與梳齒輪盤配合的密封結構的計算模型不能簡單地簡化為梳齒迷宮形式，但可以作為參考。

由于以往蜂窩密封試驗采用的試驗件規格比較少，還不能形成系統的設計準則，不能指導工程實際應用，但也得出了一些比較有意義的結論:蜂窩深度一般不能小于蜂窩芯格尺寸的一半，當深度接近蜂窩芯格尺寸時，泄漏量最小，此后再增加蜂窩的深度并不能減少泄漏量;梳齒輪盤/蜂窩靜子的氣流激振最小，穩定性最好;壓差對最佳的蜂窩芯格尺寸不發生重要影響，無論是用于渦輪部位還是壓氣機部件的蜂窩密封環，都可以采用同一種芯格尺寸的蜂窩等。這些結論在GT25000燃機中都得以體現;蜂窩芯格寬度為2.9 mm，蜂窩深度為2.5 mm左右;在燃機中蜂窩密封結構均采用梳齒輪盤與蜂窩配合的結構形式;在燃汽輪機中的蜂窩芯格尺寸均為2.9 mm(整體密封環3.0 mm)。

4 結語

1)蜂窩密封結構多應用于高壓壓氣機，高低壓渦輪和動力渦輪處，在氣體壓力和溫度都相對比較低的低壓壓氣機處多采用金屬陶瓷密封和石墨密封。

2)蜂窩密封環的蜂窩帶采用GH3030;在高壓壓氣機蜂窩密封環的基體環均采用了1Cr18Ni9Ti;在高、低壓渦輪和動力渦輪臨近通流部分基體環采用了GH3030，在高壓渦輪和動力渦輪葉頂基體環采用10Cr30Ni5WMoAiTiNb熔模鑄件，在低壓渦輪轉子基體環采用1Cr12Ni3MoVN鍛件。

3)在高壓壓氣機蜂窩密封環的結構均是蜂窩帶焊接在基體環上，基體環再固定在結構上，采用彎邊或沖凹窩定位。

4)高壓渦輪葉頂處蜂窩密封的結構是把基體環和蜂窩做成一體，用緊定螺釘固定;低壓渦輪葉頂處蜂窩密封的結構是把蜂窩直接焊接在結構上;低壓渦輪轉子處蜂窩密封環是采用銷釘定位。

5)蜂窩芯格在高壓壓氣機、高低壓渦輪和動力渦輪均采用同一規格為2.9 mm，蜂窩深度為2.5 mm左右，蜂窩壁厚為0.1 mm和0.05 mm 2種規格(整體蜂窩密封環0.2～0.4 mm)。

6)密封間隙基本是隨直徑的增大而增大的，但在一些直徑尺寸較大部位為了控制氣體的泄漏量而減小密封間隙，可見密封間隙不僅與密封直徑有關，還與密封處結構特點、工質環境、性能要求等有關。

［1］王旭，張文平，馬勝遠，等.轉子蜂窩密封封嚴特性的試驗研究［J］.熱能動力工程，2004，19(5):521 －525.

WANG Xu，ZHANG Wen-ping，MA Sheng-yuan，et al.Experimental investigation of the sealing characteristics of a rotor honeycomb seal［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2004，19(5):521 － 525.

［2］何立東.蜂窩型高效密封在離心壓縮機中的應用［J］.潤滑與密封，1997，(5):38 －39.

HE Li-dong.Application of honeycomb seals in centrifugal compreesors［J］.Lubrication Engineering，1997，(5):38 －39.

［3］CHILDS D，ELROAD D.Annular honeycomb seals:test results for leakage and rotordynamic coefficients;comparisons to labyrinth and smooth configuration［J］.Journal of Tribology，1989，111:293 －301.

［4］何立東，葉小強，劉錦南.蜂窩密封及其應用的研究［J］.中國機械工程，2005，16(20):1855 －1857.

HE Li-dong，YE Xiao-qiang，LIU Jin-nan.Investigation and application of honeycomb seals［J］.China Mechanical Engineering，2005，16(20):1855 －1857.

［5］何立東，等.蜂窩密封減振機理的實驗研究［J］.中國電機工程學報，2001，21(10):25 －28.

HE Li-dong， et al. Experimental invertigation on the suppression mechanism for honeycomb seals［J］.Proceedings of the Csee，2001，21(10):25 －28.

［6］GT25000燃氣輪機設計圖紙、技術資料［Z］.

Research on honeycomb seal design technology for imported turbine

WEN Feng-chun，WANG Xu，HUO Yan-yan
(The 703 Research Institute of CSIC，Harbin 150078，China)

By analyzing the application of honeycomb seal for GT25000 gas turbine，the material，dimension，structure，distribution，installation，and leaky character of the honeycomb seal for high pressure compressor，high and low pressure turbine，and power turbine are recounted.The welding skill and the previous research of honeycomb seal are summarized.All above have basically supported the following numerical stimulant research of honeycomb seal，the design of test-steals and the succeeding sealexperiments.

gas turbine;honeycomb seal;structure;installation

TH122

A

1672－7649(2011)12－0062－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.013

2011－03－28;

2011－04－19

溫鳳春(1978－)，女，工程師，主要從事壓氣機結構設計和可靠性研究。