新型導(dǎo)流式減壓汽封對于解決傳統(tǒng)汽封漏汽問題分析

王力，梁松，王漢洮，李佳杰

（1.國家能源集團華北電力有限公司霍州發(fā)電廠，山西 霍州 031413；2.智偉電力（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214181）

1 導(dǎo)流式減壓汽封的設(shè)計原理

本文設(shè)計的汽封產(chǎn)品借鑒本身有著強適應(yīng)性和安全性的梳齒型汽封作為設(shè)計原型。但是，其本身也存在相對較差的密封效果的缺點，根據(jù)大量的實驗和科研表明，通過改善汽封結(jié)構(gòu)，增大腔室的面積，根據(jù)熱力學(xué)效應(yīng)，汽體流動的熱耗在大腔室的提高，密封效果也相應(yīng)提高；同時，提高流體腔室表面的粗糙程度，通過摩阻效應(yīng)，流體的密封效果也會更好。本文設(shè)計的汽封就通過增大腔室空間容積形成迷宮式汽封，增加導(dǎo)流小齒以增加流道表面粗糙度的目的，提高汽封整體的密封效果。

然而，在一般的直通型迷宮結(jié)構(gòu)中，汽體從進氣側(cè)擴散過程中，由于在腔室里不能進行充分有效的動熱能轉(zhuǎn)化，其靠近光滑腔壁一側(cè)的汽體流速幾乎沒有減小，就從出氣側(cè)離開腔室，這種一掠而過的現(xiàn)象稱為“透氣效應(yīng)”，是一種在直通型迷宮結(jié)構(gòu)中會發(fā)生的效應(yīng)，一定程度上降低了汽封的密封效果。為解決這個問題，本文的汽封在設(shè)計時將迷宮路徑設(shè)計為環(huán)繞型，在汽體出氣側(cè)設(shè)置出氣孔，通過“汽阻汽”的原理，降低流速，提高汽密性。

2 導(dǎo)流式減壓汽封實驗對比

本章節(jié)通過實驗的方式將導(dǎo)流式減壓汽封和傳統(tǒng)汽封進行模擬對比。通過傳統(tǒng)的梳齒型汽封汽體通過腔室可以看出，汽體在從進汽端和汽封/轉(zhuǎn)子間隙后，由腔室結(jié)構(gòu)決定了汽體形成了3個漩渦體，同時，貼近光滑壁（轉(zhuǎn)子）一側(cè)的汽體，通過汽體模擬的顏色可以得知汽體本身的熱耗下降并不明顯，說明密封效果不理想。通過本文設(shè)計的導(dǎo)流式汽封汽體可以看出，汽體通過復(fù)雜的迷宮腔室后，整體進出汽的熱能已經(jīng)有明顯下降（藍色變?yōu)榫G色）。通過兩圖對比可以看出：（1）本文設(shè)計的汽封具有多級小齒，帶來更多的渦流，汽流在汽封壁上流動非常充分，汽密性提高；（2）汽體經(jīng)過更長的腔室，接觸更多的腔室面積來提高汽體熱耗；（3）經(jīng)過腔室的汽體通過環(huán)形迷宮后經(jīng)排氣孔（虛線位置），與未進入迷宮腔室的汽體形成90°夾角對沖，帶來高效的汽阻汽效應(yīng)，進一步提高密封效果。

通過汽水混合通過設(shè)計汽封時的流體可以看出，當高壓高速的汽流通過進氣側(cè)進入汽封腔室和轉(zhuǎn)子凸臺時，流體在腔體內(nèi)部形成多個渦流體，整體流動時在迷宮腔體內(nèi)部形成高速循環(huán)。由于增加了迷宮腔室的接觸面積并且增加了多級的小齒，整個渦流區(qū)域流體特性變得更加復(fù)雜，同時多個漩渦的形成提高了的熱耗散能力。最終，汽體在到達轉(zhuǎn)子凸臺時，通過氣體的顏色可以看出，依然保持汽體密封性。

以上兩組實驗均為仿真模擬實驗，為了更真實地反映多級次減壓汽封的密封性能，一組類似汽輪機工作原理的實驗性工作臺被設(shè)計。該設(shè)計參考了目前電廠和市場上普遍認可的汽封產(chǎn)品：梳齒型汽封與本文設(shè)計的汽封徑向?qū)Ρ葘嶒?，通過3個方面：壓差計時法、流量法和差異間隙法，判斷汽封的密封性能。

本文使用的流量系數(shù)定義如下：

式中，μ為流量系數(shù)，G為測量的漏汽量（kg/s），F(xiàn)為汽體側(cè)漏面積（m2），Z為高低齒總數(shù)（本次測試取值為10），R0為進氣總壓（MPa），R2為排氣靜壓（MPa），T0為進氣溫度（K），R為汽體常數(shù)。

測試環(huán)境介質(zhì)表，如表1所示。

試驗結(jié)果表明：莠去津殘留對馬鈴薯株高、葉色、長勢及經(jīng)濟性狀均有抑制作用，降低了干物質(zhì)和淀粉含量，提高了畸形薯率；噴施緩解劑在一定程度上可以緩解上述藥害，其中以處理3（敵克松+吲哚乙酸）效果最優(yōu)，可使馬鈴薯生長發(fā)育基本保持正常，其產(chǎn)量略低于正常水平，高于莠去津殘留的土壤處理，商品薯率達到85.0%，在生產(chǎn)實踐中可以降低莠去津藥害殘留的影響。

表1 測試環(huán)境介質(zhì)

試驗?zāi)M汽輪機參數(shù)，如表2所示。

表2 模擬汽輪機參數(shù)

壓縮空氣系統(tǒng)參數(shù)，如表3所示。

表3 壓縮空氣系統(tǒng)

（1）壓力計時法。壓力計時法是通過限定相同的壓力降，通過對比不同的壓力降時間來對比本文設(shè)計汽封和梳齒型汽封的密封性能，具體參數(shù)，如表4所示。

表4 壓差計時法參數(shù)

在所有參數(shù)相同，將起始、終結(jié)壓力分別設(shè)置在0.7MPa和0.3MPa時，梳齒汽封用了30s。本文的導(dǎo)流式減壓汽封延長漏氣時長9s共39s，相比同樣的氣壓降，設(shè)計的汽封比傳統(tǒng)的梳齒汽封密封效果時長延長了30%。

（2）流量法。流量法也是控制變量法的一種，通過限定相同壓力和時長，來判斷兩種不同汽封的流量消耗。其設(shè)定參數(shù)，如表5所示。

表5 流量法參數(shù)

同樣使用本文設(shè)計汽封和傳統(tǒng)梳型汽封在相同氣壓和持續(xù)時間時，梳齒汽封流量約為36h，而設(shè)計汽封約為24，說明設(shè)計汽封的降低流量12，相對降低流量30%。

（3）間隙法。第三個對比方法是保持其他參數(shù)不變的情況下，改變轉(zhuǎn)子與汽封動靜間隙，具體參數(shù)設(shè)計同表5，試驗動靜間隙分別為0.5mm和0.8mm。當轉(zhuǎn)子汽封動靜間隙從0.5mm增大至0.8mm時，2種汽封的汽體流量都有一定程度的變大，但是，傳統(tǒng)梳齒汽封位于0.8mm間隙時的流量大小基本等同于設(shè)計汽封位于0.5mm間隙時的流量大小，再次證明了設(shè)計汽封的優(yōu)秀密封性能。

3 導(dǎo)流式減壓汽封實際應(yīng)用

3.1 2017年在某廠2#機的應(yīng)用

2017年，山東某電廠對其2#機組進行本體大修并嘗試運用本文設(shè)計的汽封進行改造，取得了良好的密封提效。該電廠2#機為上海汽輪機廠650MW超臨界機組，通過改造方案的實施，有效地降低機組的熱耗值，并且實現(xiàn)了降低過橋段漏汽量的目標。在保證機組啟機安全性的前提下，通過修前修后性能實驗印證了設(shè)計汽封的經(jīng)濟效益。

通過修正后的修前修后對比可知，在運用了設(shè)計汽封后，該機組的熱耗值下降明顯，從修前的7878.3kJ/kWh降至7623.38kJ/kW，總計熱耗減少255kJ/kWh。另一方面，本次汽封改造對過橋效率和缸體缸效提升明顯：過橋段漏汽量從修前的4.28%降至修后的1.24%，共降低3.04%，接近于設(shè)計值的1.20%；高壓缸內(nèi)效率從修前80.76%提升至修后的87.27%，共提升6.51%，只低于設(shè)計值（87.50%）0.23%；中壓缸內(nèi)效率從修前89.93%提升至修后的93.70%，略高于設(shè)計值（93.33%）0.37%，考慮到過橋段漏氣會致使中壓缸效率略微提升，結(jié)果是比較能真實反映出實際缸效情況的。

3.2 2020年在某廠4#機的應(yīng)用

2020年，江蘇某電廠對其4#機組進行本體大修并采用本文設(shè)計的汽封進行改造，取得了優(yōu)良的節(jié)能減排效果。該電廠4#機為哈爾濱汽輪機長300MW亞臨界機組，該機組概況主要性能規(guī)范，如表6所示。

表6 江蘇某廠4#機性能參數(shù)

該機組在過橋段運用本文設(shè)計的汽封進行節(jié)能改造，具體的改造方案如表7所示。

表7 江蘇某廠4#機汽封改造方案

通過以上的改造方案的實施，極大地降低了機組的熱耗值，并且降低了修前過橋段漏汽量大的問題，一次啟機成功。

在啟機過程中，轉(zhuǎn)子振動小，軸瓦溫度優(yōu)良，極大地提高了機組啟機的成功率和機組的安全性，修后實驗印證了設(shè)計汽封的經(jīng)濟效應(yīng)和安全性能，超預(yù)期完成了改造目標。具體的改造前后性能對比。

從江蘇某廠4#機汽封改造前后性能修前修后對比中可以看出，該機組熱耗值修前修正值比設(shè)計值高了281kJ/kWh，修后修正值較設(shè)計值略高70kJ/kWh，整體修后降低熱耗221kJ/kWh。

同時，在缸效提升方面：高壓缸效由修前81.93%提升至修后82.04%，提升0.11%，比設(shè)計值少了4.27%；中壓缸缸效由修前91.44%提升至修后91.52%，提升0.08%，比設(shè)計值低了0.18%。以上結(jié)果可以看出，在運用本文設(shè)計的汽封產(chǎn)品后，該廠4#機組的熱耗值明顯降低，高中壓缸效提升，整體效果顯著。

4 結(jié)語

本文通過結(jié)合梳齒汽封和迷宮式汽封的優(yōu)點，并創(chuàng)造性地改進腔體結(jié)構(gòu)，設(shè)計的導(dǎo)流式減壓汽封，在流體模擬實驗中獲得優(yōu)異表現(xiàn)，以提高30%的密封效果遠超目前市場普遍運用的梳齒汽封。

在實際電廠汽輪機機組運用中，在機組想好和安裝方式相同的情況下，本文設(shè)計的導(dǎo)流式減壓汽封對比傳統(tǒng)汽封也有35%～40%的性能提升。從實驗和實踐證明該汽封產(chǎn)品有著十分美好的市場前景。