氫冷汽輪發電機浮動環密封瓦結構創新設計研究進展*

張孟麗 江錦波，， 彭旭東 洪 軍 許永利 郭中外

（1. 浙江工業大學機械工程學院 浙江杭州 310014； 2. 西安交通大學機械工程學院 陜西西安 710049；3. 浙江申發軸瓦股份有限公司 浙江紹興 311800）

熱力發電是我國主要的發電方式， 而采用燃煤、石油、 天然氣、 核燃料等產生蒸汽進而利用汽輪機驅動發電機發電則是熱力發電的主要型式。 汽輪機發電系統一般采用汽輪機、 發電機和勵磁機依次同軸布置， 并通過油潤滑軸承多點支承。 發電機在運行過程中存在各種損耗， 這些損耗轉化為熱能并使發電機各部分組件的溫度升高， 采用有效的冷卻技術成為控制發電機溫升、 提高發電機組單機容量的必要措施。 因氫氣具有通風損耗小、 傳熱能力強和不易氧化不助燃等顯著優點， 而成為汽輪發電機的首選冷卻介質。 目前汽輪機發電機多采用水氫氫冷卻方式， 即定子繞組水內冷、 轉子繞組氫內冷和轉子鐵芯氫外冷。 然而氫氣作為一種易燃易爆介質， 如何保證氫氣不外漏、 維持氫氣純度和降低耗氫量成為制約汽輪機發電系統安全性和經濟性的關鍵因素。

發電機在汽端和勵端各設有一套油潤滑軸承以支承發電機軸， 而在滑動軸承潤滑油腔與氫冷電機腔之間設有浮動環密封瓦和油擋， 以避免氫氣外漏和電機腔進油（見圖1）。 密封油系統的密封原理為： 通過在浮動環密封瓦中通入壓力高于電機腔內氫壓的密封油， 一股流向氫氣側形成氫側回油， 一股流向空氣側形成空側回油， 從而實現機內氫氣不外漏和外部空氣不侵入， 再通過精準控制密封油壓力、 溫度和流量進而實現“以油封氣”； 同時， 密封油系統還起著潤滑、 冷卻密封瓦和轉軸的作用， 以避免密封瓦溫升過高和保證密封瓦與轉軸之間良好的油膜潤滑。

圖1 氫冷汽輪發電機及其軸端密封結構Fig.1 Hydrogen cooled steam turbine generator and its shaft end sealing structure

從密封瓦間隙進入回油箱的氫側回油由于擴容作用， 一方面要釋放出油中的空氣、 水分等雜質氣體并進入發電機內， 導致機內氫氣純度下降； 當氫氣純度小于96%時就必須排出低純度的混合氣體并補充高于排出量幾十倍體積的純氫， 這是造成頻繁補氫、 耗氫量大的主要原因。 另一方面氫側回油又要吸收機內氫氣并隨油帶走， 這也增加了氫氣耗量。 當機內氫壓不變時， 氫氣純度每降低1%， 通風摩擦損耗增加約11%[1］。 如當一臺900 MW 的氫冷發電機氫氣純度從98%降至95%時， 通風損耗增加32%， 相當于損失685 kW。 因此， 減少因氫側回油中雜質氣體進入發電機腔而造成高耗氫、 頻繁補氫的功能性失效成為氫冷發電機密封瓦結構和油路設計中需重點考慮的因素。 轉軸在運行過程中不可避免的軸向振動、 角向撓曲和熱脹冷縮， 以及密封瓦的熱力變形和浮動卡澀等因素， 均會造成密封瓦烏金面與轉軸碰摩， 進而可能引起振動失穩、 磨損過度和溫升過高等結構性失效，這是目前氫冷發電機出現重大安全事故和非計劃停車維修的主要原因之一。 良好的密封瓦結構浮動性是避免密封瓦與轉軸碰摩以及降低密封瓦溫升的關鍵所在。

早在20 世紀三四十年代， 美國、 蘇聯和日本等國家就成功開發出氫冷汽輪發電機油密封系統， 并申請了相關專利。 為實現低耗氫、 強追隨的運行目標，盤式密封瓦、 經典環式密封瓦和包括碳環密封、 刷式密封在內的先進環式密封瓦結構和密封油系統不斷被開發出來并得到成功應用。 近年來， 國內關于氫冷發電機密封瓦的失效案例分析和技術改造公開報道很多， 但對各類氫冷發電機浮動環密封瓦結構及其性能特點缺乏系統總結。 本文作者從盤式密封瓦、 經典環式密封瓦和先進環式密封瓦三類典型的氫冷發電機浮動環密封瓦結構及其密封油系統出發， 歸納并對比分析了各類密封瓦的結構原理及性能特點， 以降低耗氫量和提高浮動性為設計目標， 探討了近80 年來國內外開發出的氫冷發電機浮動環密封瓦創新方案和應用效果， 旨在為我國氫冷發電機軸端密封的技術研究和工程應用提供參考。

1 盤式密封瓦結構特點及性能演化

1.1 盤式密封瓦工作原理及性能特點

早期很多前蘇聯制造的氫冷發電機大多采用盤式密封瓦。 圖2 所示為一種典型的盤式密封瓦結構。 盤式密封瓦的主體包括固定于轉軸并隨之轉動的推力盤和浮動安裝于靜止殼體上的密封瓦， 兩者組成一對端面密封副， 其中密封副內徑為氫側， 外徑側為空側。推力盤端面為光滑表面， 密封瓦表面開設有動靜壓溝槽或楔形面結構， 用于在推力盤旋轉時產生顯著的流體動靜壓承載力， 進而在密封瓦與推力盤端面之間形成一層油膜以實現全液膜潤滑。 為了避免密封端面發生碰摩時對推力盤端面造成嚴重磨損， 一般在密封瓦基體的表面澆鑄一層自潤滑性優良的烏金層。 密封瓦的背部設有壓力油腔， 該油腔與密封端面之間通過進油孔相連通， 且密封瓦與靜止殼體之間設有輔助密封圈以形成封閉油腔； 在密封瓦背部與靜止安裝座之間一般還設有彈性元件或輔助油腔， 用于對密封瓦提供輔助閉合力。

圖2 典型的盤式密封瓦結構示意Fig.2 Structural of typical disc sealing ring

當盤式密封瓦工作時， 壓力油腔內的帶壓潤滑油從進油孔進入密封間隙后分成兩股， 一股向外徑側流動進入空側形成空側回油， 另一股向內徑側流動進入氫側形成氫側回油。 由于空側壓力顯著低于氫側壓力， 故潤滑油與空側之間的油空壓差較油氫壓差更低。 在更大壓差和離心力的共同作用下， 空側回油量顯著大于氫側回油量。 如對于一臺軸徑為280 mm、氫壓為0.2 MPa 的盤式密封瓦， 試驗測得氫側回油量為2.14 L／min， 而空側回油量達到60 L／min[2］。 當推力盤轉動時， 其通過密封瓦端面的流體動靜壓溝槽結構產生顯著的流體膜承載力， 從而將密封瓦推開后在兩密封端面之間形成一層厚度為0.07～0.15 mm 的潤滑油膜。 值得注意的是， 該流體膜承載力依賴于轉速， 當轉速較低時， 流體膜承載力較小， 此時油膜厚度變薄， 甚至會出現半干摩擦狀態。

由于盤式密封瓦的氫側回油量很小， 這使得當氫側回油與氫氣接觸時通過溶解帶走的氫氣量和通過擴容作用向氫氣腔內析出的雜質氣體量都很小， 進而可實現較低的耗氫量， 同時還可取消真空凈油設備， 簡化供油系統[2］。 另一方面， 盤式密封瓦作為一種端面密封， 其對密封瓦烏金面和推力盤端面的粗糙度、 平面度加工精度要求很高， 有時為了使軸出現撓曲時密封瓦能緊貼推力盤表面， 還需將烏金面加工成球面，而氫冷發電機密封瓦的徑向尺寸往往較大， 這給密封副的精密加工與裝配帶來困難， 且發生磨損失效后修復難度極大； 同時， 轉軸在運行過程中不可避免地會出現軸向竄動、 角向偏擺和熱脹冷縮， 由于密封油膜厚度很薄， 極易造成密封端面的接觸碰摩甚至燒瓦，這對密封瓦的浮動性提出了很高的要求。 鑒于此， 目前在氫冷發電機中的盤式密封瓦已逐漸被環式密封瓦所取代。

1.2 盤式密封瓦結構功能演化

由于盤式密封瓦較小氫側回油量所帶來耗氫量少的特點， 對盤式密封瓦的結構改進一般通過改善密封瓦浮動性和形成全油膜潤滑以避免端面接觸碰摩為主要目標， 而良好的密封瓦軸向力平衡設計是實現上述目標的關鍵所在。 圖3 所示為盤式密封瓦的軸向受力分析示意圖。 密封瓦端面受流體膜承載力F1， 該作用力可推開密封瓦以使其形成流體膜， 故可稱為開啟力Fo。 密封瓦背面受壓力油腔的油壓主作用力F21（該作用力是壓力油腔內密封瓦前后受壓面上的合力）， 由彈性元件或輔助油腔提供的輔助作用力F22，氫側氣壓作用力F23， 這3 個作用力統稱為閉合力Fc。 在此基礎上， 盤式密封瓦還受到輔助密封圈摩擦力Ff， 該作用力對密封瓦的浮動性影響顯著。

圖3 盤式密封瓦的軸向受力分析示意Fig.3 Schematic of axial stress analysis of disc sealing ring

根據產生油壓主作用力F21方式不同， 盤式密封瓦可分為正壓式、 反壓式和穩壓式3 種結構[3］， 如圖4 所示。 當前受壓面的面積大于后受壓面時， 此時油壓主作用力隨氫壓和油壓的提高而提高， 稱為正壓式密封瓦（見圖4 （a） ）。 隨著氫壓提高， 正壓式密封瓦的閉合力迅速增加， 密封面比壓提高， 端面磨損加大且溫度升高， 故其僅適用于較低氫壓下運行。 當前受壓面的面積小于后受壓面時， 此時油壓主作用力隨氫壓和油壓的提高而減小， 也即油壓主作用力表現為開啟力， 稱為反壓式密封瓦（見圖4 （b） ）。 反壓式密封瓦目前應用較少。 當前后受壓面的面積相等時， 油壓主作用力與油壓無關且始終為0， 稱為穩壓式密封瓦（見圖4 （c） ）。 這種密封瓦能在不同氫壓條件下始終保持恒定的軸向力平衡， 避免油壓對密封瓦的附加推力， 可用于氫壓較高的機組。

圖4 3 種不同油壓主作用力的盤式密封結構Fig.4 Three disc sealing structures with different oil pressure main forces： （a） positive pressure type； （b） negative pressure type； （c） stable pressure type

根據產生輔助作用力F22的方式不同， 盤式密封瓦可分為彈簧式和液壓式2 種結構。 對于彈簧式密封瓦， 由于彈簧一旦安裝后不易調節， 故在高氫壓作用下容易出現密封比壓過大、 瓦溫過高的情況。 圖5 所示為一種典型的液壓式密封瓦結構。 液壓式密封瓦在壓力油腔的基礎上增設了一個輔助油腔， 其閉合力主要由輔助油腔壓力提供， 而壓力油腔內的密封油并不會對密封瓦產生額外的軸向力， 這種結構原理與小孔節流靜壓推力軸承或端面密封是非常類似的[4-5］。 液壓式密封瓦的主要優勢在于可通過改變輔助油腔內的油液壓力以在線調控密封瓦的間隙進而調控回油量；同時還可通過輔助油腔和烏金上專用冷卻孔的組合設計以實現密封瓦端面冷卻， 達到控制瓦溫的目的， 故其具有更佳的性能， 成為盤式密封瓦的優選方案。

圖5 液壓式密封瓦結構示意Fig.5 Structural of hydraulic sealing ring

密封瓦烏金面結構和進出口壓力對密封面流體膜承載力F1具有重要影響。 根據密封副數量和密封端面結構不同， 可分為單端面動靜壓型結構[6］、 雙端面靜壓型結構[7］和雙端面動壓型結構[8］， 如圖6 所示。單端面動靜壓型結構是最為常見的一種盤式密封瓦結構， 其只有一對密封副， 且在密封瓦烏金面上加工有流體動靜壓結構。 單端面動靜壓型密封瓦的一種典型的端面結構為在進油孔附近徑向位置處設有環形溝槽以使周向壓力均勻分布， 在環形槽與端面外徑之間設有非貫通徑向槽和楔形承載面， 其中徑向槽可將環形槽中的潤滑油引入楔形承載面， 而楔形承載面所形成的楔形間隙可在推力盤旋轉時產生流體動壓承載力以提高流體膜承載力[9-10］。 通過改變進油孔徑向位置和優化楔形承載面結構可實現對密封端面流體膜壓力分布的有效調控， 設計原則是以額定轉速下的高承載為目標， 同時在低轉速時通過調節油壓以避免出現半干摩擦狀態。

圖6 3 種不同密封副對數和端面結構的盤式密封瓦Fig.6 Three disc sealing pads with different pairs of sealing pairs and end face structures： （a） single end surface dynamic and static pressure type； （b） double end surface static pressure type； （c） double end surface dynamic pressure type

雙端面靜壓型結構在推力盤的兩側各設有一對對稱布置的密封副， 密封瓦都浮動安裝于靜止殼體上，密封副的外徑側為壓力油腔， 內徑側為空側或氫側。壓力油腔通過進油孔與密封瓦端面環形溝槽相連通，環形溝槽外側端面間隙較大以形成較大的回油量， 進而充分潤滑和冷卻密封端面； 環形溝槽內側端面間隙較小以控制氫側和空側回油量， 工程應用經驗表明其具有很小的回油量， 且能有效隔絕空氣和氫氣。 與雙端面靜壓型結構不同的是， 雙端面動壓型密封瓦在密封瓦烏金面或推力盤端面開設有與壓力油腔相連通的動壓槽， 通過推力盤旋轉時產生的黏性剪切作用而產生動壓承載力。 不過其流體膜承載力在轉速很低時較小， 容易出現密封面碰摩， 故目前只停留在專利階段， 在工程中未見應用。

2 經典浮動環式密封瓦

環式密封瓦作為目前氫冷汽輪發電機軸端密封的優選方案， 其具有結構簡單、 安裝方便、 適應寬氫壓工況和轉軸振動能力強等顯著優勢。 環式密封瓦的密封面由轉軸外表面和安裝于靜止殼體的密封瓦內表面組成， 兩者之間具有一定的徑向間隙以適應轉軸振動、 熱脹冷縮和密封瓦變形等引起的間隙變化， 同時在密封瓦內表面澆鑄有自潤滑烏金層以降低碰摩時對轉軸的損傷。 與盤式密封瓦原理類似， 一定壓力的潤滑油通過進油孔進入密封間隙， 一部分沿軸向往空側流動形成空側回油， 另一部分沿軸向往氫側流動形成氫側回油。 為實現潤滑油對電機腔內氫氣的可靠密封， 一般潤滑油入口壓力較氫壓高出0.06 ～0.08 MPa。 相較于盤式密封瓦， 由于環式密封瓦的密封間隙成倍增加， 導致其回油量和耗氫量顯著提高， 因此如何降低耗氫量和避免密封瓦振動碰摩是環式密封瓦結構和油路改進設計的主要內驅動力。

2.1 環式密封瓦基本結構及工作原理

根據環式密封瓦與靜止殼體的安裝方式不同， 環式密封瓦可分為固定靜子型（稱為固環式） 和浮動靜子型（稱為浮環式）[11］。 由于固環式密封瓦無法在油膜中自由浮動， 轉軸與密封瓦碰磨后會引起密封間隙的逐漸增大， 進而導致回流量增加和氫氣純度下降等問題， 其逐漸被具有良好浮動性的浮環式密封瓦所替代。 浮環密封瓦是靠密封環與轉軸間的極小間隙限制泄漏的一種新型非接觸式動密封裝置[12］， 這種密封瓦與支承軸承剛性連接， 且密封瓦內表面大多為光滑面[13］， 也可為迷宮面[14］或阻尼型孔面[15-16］以強化對氫側和空側回油的阻流作用。

單流環密封油系統、 雙流環密封油系統和三流環密封油系統是目前氫冷發電機中常用的3 種浮動環式密封油系統[17-18］， 如圖7 所示。 單流環密封油系統早在20 世紀30 年代就由美國GE 公司在氫冷發電機軸端密封中得到成功應用， 如圖7 （a） 所示。 其工作原理為： 密封油先經過密封油泵增壓， 再分別通過換熱器調溫、 過濾裝置除去油中顆粒雜質和壓差閥調壓后進入密封瓦間隙（其中壓差閥用于保證密封油與氫壓之間保持恒定壓差）； 密封瓦中的氫側回油吸收氫氣和析出空氣后進入氫側回油箱， 空側回油由排煙風機抽出油中的空氣和氫氣后一部分返回汽輪機潤滑油系統， 另一部分回流至真空油箱， 通過抽真空裝置進一步將油中析出的空氣抽出以避免其大量進入氫側回油， 密封油從真空油箱進入密封油泵入口后完成整個循環。 單流環密封油系統的空側回油和氫側回油共用一套進油系統， 因而系統簡單、 運行操作方便， 但一旦真空裝置失效容易使得氫側回油中雜質氣體含量過高， 進而導致氫氣純度下降快、 補氫量大[19］。

圖7 單流環、 雙流環和三流環密封油系統及密封瓦結構示意Fig.7 Structure of single flow ring （a）， double flow ring （b）and three flow ring （c） sealing oil system and sealing ring

雙流環密封油系統是美國WH 公司的專利產品[20］， 如圖7 （b） 所示。 其工作原理為氫側油路和空側油路獨立運行， 其中氫側油路形成閉式循環， 氫側回油先進入氫側回油箱， 后經密封油泵、 換熱器、過濾裝置和空氫側平衡閥后進入密封瓦； 另外氫側回油箱和空側回油箱之間可通過補油和排油裝置實現密封油交流。 該結構的平衡閥用于保證空側和氫側油壓之差穩定在±500 Pa 以減少密封油竄流， 故平衡閥精度對空側和氫側竄流量影響顯著。 為了從源頭隔絕空側和氫側密封油之間的竄流， 在雙流環密封油系統基礎上開發出三流環密封油系統， 如圖7 （c） 所示。三流環密封油系統在空側油路和氫側油路之間增加了一路經過真空處理的真空油路[21］， 其中真空油壓與氫側油壓近似相等且大于空側油壓， 從而避免了空側和氫側竄流。 但該結構也因增加真空油路使得密封油系統過于復雜。

對于雙流環密封油系統， 當其氫側回路停止運行時即可轉化為典型的單流環密封油系統， 不過因密封油系統中沒有真空處理裝置， 長時間的空側油路獨立運行會使得大量雜質氣體進入發電機腔內而導致氫氣純度下降過快， 故只允許空側油路短暫獨立運行。 對于三流環密封油系統， 當真空油路停止運行后即可轉化為雙流環密封油系統。

2.2 基于提高浮動性的環式密封瓦結構演變

環式密封瓦發生接觸碰摩進而引發的密封面磨損過度、 溫升過高和振動失穩是造成密封瓦結構性失效的主要原因， 而要保證密封瓦在徑向的良好浮動性有賴于合理的密封瓦徑向力平衡設計。 圖8 和圖9 所示分別為環式密封瓦的軸向截面和周向截面受力分析圖。 對于采用螺栓固緊的整體式密封瓦， 在重力G作用下， 密封瓦下沉并造成偏心密封間隙， 進而產生沿周向不均勻分布的流體膜壓力p1， 而密封瓦外表面受到沿周向均勻分布的密封油壓力p2。 對上述壓力沿周向積分即可分別獲得作用于密封瓦內表面和外表面的流體作用力F1和F2， 其中流體膜承載力F1會隨著密封間隙的變化而改變， 而F2一般為0。 由于氫側和空側壓力不同而對密封瓦產生軸向力Fz， 使其一側端面與安裝座壁面貼緊， 進而在其徑向浮動時產生徑向摩擦力Ff。 對于采用彈簧箍緊的分瓣式密封瓦， 其外表面還受到彈簧箍緊力F3， 且重力G和彈簧箍緊力F3共同決定了密封瓦非工作狀態下與轉軸的同心問題。 為改善環式密封瓦的徑向浮動性， 減小阻礙密封瓦浮動的徑向摩擦力Ff、 提高浮起密封瓦的流體膜承載力F1和改善非工作狀態下密封瓦與轉軸同心問題是重點方向。

圖8 環式密封瓦軸向截面受力分析Fig.8 Stress analysis of axial section of sealing ring

圖9 環式密封瓦周向截面受力分析Fig.9 Stress analysis of circumferential section of sealing ring： （a） without balance oil circuit； （b） with external balance oil circuit

減小因密封瓦兩側端面壓力不等所造成的軸向力Fz是減小徑向摩擦力、 避免密封瓦卡澀的有效方法。環式密封瓦軸向力平衡可分為外加壓平衡和自加壓平衡2 種。 對于外加壓平衡方案， 通過在密封瓦空側端面引入浮動油路（見圖9 （b） ）， 利用浮動油壓以平衡由于較高氫壓引起的軸向力是目前GE 公司、WH 公司常用的軸向力平衡方法[22］。 其還可通過改變浮動油壓以外置調節軸向力， 提高其對不同氫壓工況的適應能力。 圖10 所示為環式密封瓦自加壓平衡軸向力方案示意圖。 為避免因增加浮動油路而引起的系統復雜問題， 可通過改變空側進油位置或出油位置而實現軸向力自平衡。 對于雙流環密封瓦， 通過將空側進油位置由徑向進油改為側邊進油 （見圖10 （a））， 從而使空側油室兼起著平衡油室作用， 其他結構與外加浮動油路方案相同。 這種方案雖然可以簡化油路系統， 不過因其空側油壓需與氫壓保持恒定的差值而可調性較差。 對于單流環密封瓦， 可將密封進油在密封瓦內分為兩股出流（見圖10 （b） ）， 一股流向密封間隙后再分別形成空側回油和氫側回油，另一股流向空側端面間隙形成側向回油， 并通過空側端面結構優化以改變空側端面油壓分布， 進而實現軸向力平衡[23］。 西門子公司還提出一種在浮動油路出口與密封瓦空側端面之間增設U 形密封圈的方案（見圖10 （c） ）[24］， 其優勢在于： 一是引入壓力較高的密封進油至側向端面以減小軸向力不平衡， 且浮動油路與壓力油腔相連通以避免復雜的外加油路系統； 二是將密封瓦空側端面與安裝座端面的直接接觸改為其與密封圈接觸， 摩擦因數顯著降低； 三是隔絕了密封進油直接通過側邊端面間隙泄漏至空側的通道， 減少回油量。

圖10 環式密封瓦自加壓軸向力平衡方案示意Fig.10 Schematic of axial force balance scheme of sealing ring：（a） changing the oil inlet position； （b） changing the oil outlet position； （c） adding side auxiliary seal

提高密封瓦內表面的流體膜承載力（或稱為浮升力） 是改善密封瓦浮動性、 保持密封間隙穩定的有效措施。 經典的環式密封瓦內表面為光滑表面， 其主要通過初始偏心間隙和轉軸振動時所形成的楔形油膜間隙以產生動壓承載力， 進而將密封瓦浮起以避免接觸碰摩， 但該承載力往往較弱。 胡啟龍、 CORDINER等[25-26］提出在密封瓦內表面開設軸向淺槽， 利用轉軸旋轉時淺槽產生的階梯動壓效應以形成局部高壓，數值分析結果表明， 其動壓承載力顯著高于光滑面的情況。 沈梁偉[9］提出一種在密封瓦氫側內表面開設包括軸向靜壓引流槽和周向動壓楔形面的動靜壓結構，與圖6 （a） 所示的盤式密封瓦端面結構類似， 利用其在轉軸旋轉時強化流體動壓效應而實現流體膜承載力的顯著提高， 有利于在發電機反復啟停時烏金面和轉軸表面不磨損。 目前在柱面氣膜密封中已得到成功應用的螺旋槽動壓結構在強化動壓效應和增穩抑振特性方面表現優異[27-28］， 其未來也有望應用于環式密封瓦中以實現流體膜承載力的大幅提高。

由于密封瓦自重所造成的初始偏心間隙一方面會導致空側和氫側回油量增加， 另一方面也會增大密封瓦與轉軸發生碰摩的概率， 如何平衡密封瓦自重以減小初始狀態時密封瓦與轉軸的同軸度值得關注。 對于整體式密封瓦， 官永勝等[29］提出一種通過在密封瓦與靜止殼體之間的下部徑向空間內增設彈性片以支撐密封瓦的方案， 平衡密封瓦自重進而提高密封同心度。 對于分瓣式密封瓦， 又可分為兩瓣式和四瓣式結構， 通過兩條半周布置的圓周彈簧將分瓣密封瓦箍緊， 彈簧兩端通過銷釘固定， 圓周彈簧的拉力一方面將各瓦塊沿周向緊密貼合， 避免結合面處的油液泄漏， 另一方面可部分平衡密封瓦自重， 實現轉軸與密封瓦的良好同心[30-33］。 進一步， 為避免密封瓦浮動過程中各瓣密封瓦結合面處的潛在泄漏風險， 提出了在結合面處設計嵌入式結構的方案[34］。 相較于分瓣式密封瓦， 整體式密封瓦的半徑間隙相對固定， 可避免轉軸狀態突變時密封瓦徑向間隙突變而導致的密封瓦回油量突增問題。

2.3 基于降低耗氫量的環式密封瓦結構演變

環式密封瓦的氫側回油量相較于盤式密封瓦顯著增加， 導致發電機補氫頻繁、 耗氫量大， 保證氫氣純度、 降低耗氫量是提高發電機運行經濟性的必然要求， 也是環式密封瓦結構系統改進的主要目標。 氫氣純度下降的主要原因是氫側回油中含有的空氣、 水分等雜質氣體在回油箱中通過擴容作用析出并進入發電機腔， 故其主要與氫側回油量大、 氫側回油雜質氣體含量高有關。 由此可見， 降低氫側回油量和減少氫側回油雜質氣體含量是降低環式密封瓦耗氫量的兩個主要方向。

圖11 所示分別為通過氫側油路改進和氫側密封瓦面結構優化以減少氫側回油量的方案。 在油路改進方案中， 許文君和王玉富[35］提出了一種結構與雙流環密封瓦相同， 而油路設計則借鑒盤式密封瓦的新型單流環密封瓦： 靠近空側的密封瓦進油分為三股回油， 一股為氫側回油， 一股為空側回油， 另一股則為中間回油， 并在中間回油管路上安裝控制閥以調節出油壓力， 如此可減少氫側回油量， 同時也可降低氫側密封瓦溫升。 試驗測試表明， 增設中間回油的密封瓦氫側回油量從14.6 L／min 降至1.5 L／min， 氫側瓦溫從47.5 ℃降至42.5 ℃。 在結構改進方案中， 許文君等[3］通過在氫側瓦面上開設錐形面、 環形阻流槽或阻流泡結構， 進而改變氫側密封油壓力分布， 實現氫側回油量的減少。 試驗結果表明， 在氫側瓦面開設錐形面的密封瓦可實現將氫側回油量從39 L／min 降至15 L／min。

圖11 環式密封瓦減少氫側回油量方案示意Fig.11 Schematic of the scheme for reducing oil return on the hydrogen side of sealing ring： （a） improvement scheme of hydrogen side sealing oil circuit；（b） optimization scheme of hydrogen side pad structure

對氫側回油進行真空處理或對析出氣體進行連續換氣處理， 以及將氫側油路設計成獨立循環油路是降低氫側回油雜質氣體含量的兩種有效方法。 現有的單流環密封瓦系統一般會將潤滑油先經過真空處理以盡可能除去油中的空氣和水分[36］， 從而避免氫側回油向電機腔內釋放雜質氣體， 不過這種方案需要增加一套真空處理系統。 美國GE 公司提出一種連續換氣法[37］， 即通過在氫側回油箱與油擋之間的環形空間外增設連續換氣系統以連續排出一定數量的被污染低純度氣體， 同時向機內持續補充新鮮氫氣， 且環形空間內的氣壓低于氫壓， 可避免環形空間內的雜質氣體進入發電機腔。 該方法經幾十臺氫冷發電機的運行實踐， 證明可使發電機內氫氣純度和濕度達到與真空處理近似的效果。

通過將氫側油路和空側油路設計成兩股獨立油路而開發出雙流環密封瓦密封油系統， 理論上可實現氫側回油雜質氣體含量的顯著減少。 不過空側油路和氫側油路并非完全獨立， 兩者可通過密封瓦空氫側間隙和密封油箱補排油操作發生互竄； 當氫側油向空側油竄流時會造成氫氣消耗， 而空側油向氫側油竄流時則會造成電機腔雜質氣體含量升高， 兩者作用的共同結果都是使氫氣純度下降、 補氫量增加。 為減少雙流環密封瓦間隙處的空氫側密封油竄流， 可采用“封阻、疏導、 隔絕” 3 種方案。

封阻方案是通過在空氫側之間的密封瓦內表面開設環形阻流槽[38］以增加密封油竄流時的流阻， 或采用高精度空氫平衡閥以盡可能減小空氫側油壓以降低竄流驅動力， 進而實現空氫側密封油竄流量的控制。不過當空氫側密封油完全沒有竄流時， 會使得密封瓦間隙中部形成流動死區， 轉軸旋轉產生的大量黏性剪切熱和攪拌熱無法及時散出而產生局部高溫[39］， 這種沿軸向的不均勻溫度分布會引起轉軸熱彎曲和密封瓦變形， 進而導致碰摩事故發生， 這也是目前經典雙流環密封瓦所亟待解決的問題。 疏導方案是通過使氫側密封油壓始終略高于空側油壓， 使得密封瓦間隙處氫側油向空側流動， 再通過空側油箱向氫側油箱補油以維持氫側閉式循環回路的油量平衡； 在氫側密封油箱補油管路上裝設基于薄膜蒸發原理的濾油機對竄油不斷進行提純， 進而可提取并去除密封油中溶解的空氣等雜質氣體， 實現氫氣純度的提高[40］， 該方法經工程實踐證明可使發電機腔內氫氣純度始終維持在98.6%以上。 隔絕方案是在雙流環密封油系統的基礎上再增設一路經過真空處理的真空油路[41-42］， 如此可從源頭上避免空側和氫側密封油的竄流， 不過因需要增加一套真空油路， 使得密封油系統和操作都變得更加復雜。

3 先進浮動環式密封瓦

隨著氫冷發電機組單機容量不斷提高和對耗氫量控制要求的日趨嚴格， 現有盤式密封瓦和經典環式密封瓦在使用過程中的耗氫量大、 發電機進油、 密封瓦磨損和密封油系統復雜等問題逐漸暴露出來。 20 世紀80 年代開始， 航空航天設備中在嚴苛工況下仍能表現出優異性能的環式密封技術受到了氫冷發電機及其密封系統生產商的高度重視， 并與航空密封供應商合作開發了可適用于氫冷發電機軸端密封的分段碳環密封、 刷式密封等先進浮動環式密封技術， 為解決發電機氫密封系統中的密封瓦磨損、 發電機進油和耗氫量過大等3 個主要問題提供了新的思路， 并得到工程應用驗證[43］。

3.1 分段碳環密封技術

分段碳環密封技術[44-45］最早應用于美國航空發動機主軸承腔的滑油密封中， 其中密封環的一側為滑油， 另一側為空氣， 隨后逐漸應用于液體火箭發動機的渦輪泵系統中。 根據主密封面是否開設動壓槽， 分段碳環密封可分為無動壓槽和帶動壓槽兩種結構。 一種典型的動壓型分段碳環密封結構如圖12 所示[46］。多瓣碳環密封通過圓周螺旋彈簧在徑向箍緊， 并保持各分段密封接頭處緊密貼合； 碳環密封的主密封面為內徑表面， 次密封面為低壓側端面， 在高壓側端面與安裝殼體端面之間設有軸向彈簧， 用以將碳環密封壓向低壓側并使次密封面與安裝端面緊貼實現密封。 主密封面上設有周向靜壓槽、 起著引流作用的軸向靜壓槽和用于產生流體動壓力的瑞利臺階槽， 當處于非工作狀態下， 在圓周彈簧的徑向作用力下， 主密封面與轉軸表面保持緊貼以實現停車密封； 當轉軸旋轉后，其可將密封油通過靜壓槽帶入動壓淺槽內， 利用動壓淺槽的階梯動壓效應產生流體動壓承載力， 進而將碳環密封浮起以實現非接觸運行。 次密封面設有泄壓槽以平衡高壓側介質壓力和軸向彈簧力， 避免端面比壓過大而影響徑向浮動性， 同時也可改善碳環密封的熱力變形。

圖12 航空航天設備用分瓣式石墨圓周密封結構示意[46］Fig.12 Structure of split graphite circumferential seal for aerospaceequipment[46］： （a） sectional circumferential seal；（b） single sectional ring； （c） groove type ofmain sealing surface； （d） fluid film

圖13 和圖14 所示分別為用于氫冷發電機軸端的分段碳環密封結構實物圖和受力分析圖。 在空側和氫側各設有一套分段碳環密封[47-48］， 分別用于實現空側和氫側的密封， 兩者之間為進油腔， 進油壓力較氫壓略高。 碳環密封的外柱面與安裝座之間設有徑向布置的螺旋彈簧以提供徑向力， 并使碳環密封在非工作狀態下與轉軸保持緊貼； 碳環密封進油腔端面設有軸向彈簧， 并在該軸向彈簧作用下壓向輔助環， 輔助環端面具有很好的平面度和粗糙度以減小其與碳環密封端面摩擦， 保持良好的徑向浮動性。 氫側和空側碳環密封的主密封面結構有所差異， 這是由氫側和空側密封不同的設計目標所決定的。 對于氫側碳環密封， 需要嚴格控制氫側回油量， 故在靠近氫側設有環形槽和軸向槽組合而成的瑞利臺階結構， 其在轉軸運轉時可產生空化抽吸效應[49-50］， 進而顯著減小氫側回油量，這也是該新型密封能實現氫側回油量顯著降低的關鍵所在。 為提高流體膜承載力， 在進油側設有軸向引流槽和楔形動壓槽， 利用轉軸旋轉時產生的流體動壓力以實現密封的非接觸運行。 對于空側碳環密封， 由于空側壓力較低， 其主要目標在于實現更大的流體膜承載力： 通過更密集分布的軸向引流槽將高壓密封油引入密封間隙， 其通過流體動力袋時壓力不斷增大， 并在流體動力袋末端達到壓力峰值， 從而使密封面整體的壓力分布都較高。 實際上， 氫側回油量的有效控制在一定程度上就能很好地解決發電機進油和耗氫量過大的問題。

圖13 氫冷發電機用分段碳環密封結構及其實物Fig.13 Sectional carbon ring seal structure （a） and physical physical object （b） for hydrogen cooled generator

圖14 氫側和空側分段碳環密封受力分析示意Fig.14 Schematic of stress analysis of sectional carbon ring seal on hydrogen side （a） and air side （b）

目前該新型密封油系統已經在西門子公司的多臺發電機組中成功應用， 且試驗效果良好。 氫冷發電機用新型分段碳環密封與常規雙流環密封瓦的回油量測試結果表明， 新型分段碳環密封的氫側回油量和空側回油量都只有常規環式密封瓦的1／10 （見圖15）， 達到了盤式密封瓦的回油量水平。

圖15 分段碳環密封與常規環式密封回油量對比[51-52］Fig.15 Comparison of oil return between sectional carbon ring seal and conventional ring seal[51-52］

3.2 其他先進環式密封技術

刷式密封憑借其優良的密封性能在航空發動機和燃氣輪機中得到廣泛應用[53］。 刷式密封通過前后夾板將刷絲束固緊并使其貼于轉軸表面以實現密封， 其中刷絲束是由緊密排列的刷絲層疊排列而成， 刷絲束排列方向與轉軸半徑成一角度以允許轉軸的徑向變形和偏心運行， 多孔介質滲透率系數是刷絲束多孔介質中通過流體能力的表征參數[54］。 在傳統浮動環密封瓦結構的基礎上， 通過在密封瓦內鑲嵌安裝刷絲束而開發出浮動刷式組合環式密封， 成為氫冷發電機密封瓦結構設計的新方向。 美國GE 公司提出一種氫冷發電機用柔性刷式密封[55-56］， 在常規單流環密封瓦結構基礎上， 其分別在氫側和空側密封瓦內表面嵌入刷絲束， 從而實現兩側回油量的顯著降低。 在此基礎上， GE 公司提出一種柔性磁刷密封結構[57］， 刷式密封是由磁性橡膠柔性材料制成， 使密封能夠自由彎曲變形以適應不同尺寸和工況的密封環境。 不過上述密封技術還在開發階段， 尚未見實際工程應用案例。

4 結論與展望

氫冷汽輪發電機是目前熱力發電中的主流機型，如何實現氫冷電機腔內作為高效冷卻介質且易燃易爆的氫氣可靠密封和高純度一直是氫冷發電機設計和應用過程中的核心技術問題。 近八十多年來， 在降低耗氫量、 減少密封磨損和避免發電機進油等需求的驅動下， 國內外研究單位和企業已經開發出系列化的氫冷發電機密封新結構和新系統。 值得注意的是， 國外公司和研究人員已圍繞氫冷發電機密封申請了大量的發明專利并已然形成了知識產權保護圈， 這對于我國未來自主研發氫冷發電機密封技術帶來了一定的技術壁壘。 國內對于氫冷發電機浮動環密封瓦的技術研究和結構創新相對較少， 而對現役氫冷發電機常用的單流環和雙流環密封系統失效分析和技術探討較多。 為了進一步提高氫冷發電機密封瓦的運行經濟性和可靠性， 推動我國氫冷發電機密封新結構、 新系統和新技術的不斷創新和發展， 還需重點從以下3 個方面開展工作：

（1） 針對我國現役氫冷發電機常用的單流環、雙流環和三流環密封油系統， 在結構設計方面， 可通過在密封瓦內表面開設阻流降壓結構以增大密封油流動阻力或開設流體動壓結構以增大密封瓦浮升力， 進而降低氫側回油量和改善密封瓦浮動性， 達到減少耗氫量、 避免密封碰摩的目的， 不過這有賴于密封油流動傳熱數值模擬技術和端表面微結構超精密加工技術的發展。 在油路設計方面， 可通過密封油路的改進設計以簡化密封油系統和便捷實現密封油參數在線在位調節， 提高密封運行的可控性。

（2） 分段碳環密封、 刷式密封和柔性箔板／箔片密封等先進的航空航天密封技術在氫冷發電機軸端密封中應用的可行性和必要性應得到進一步重視。 考慮到上述密封在運行過程中涉及密封油流動傳熱、 密封瓦熱力變形、 柔性密封面大變形、 轉軸動態激勵和密封副浮動響應等復雜的熱流固動多物理場耦合問題，亟待建立氫冷發電機先進環式密封的多物理場耦合分析模型， 揭示密封瓦運行過程中溫升、 變形、 振動、摩擦、 磨損與密封間隙之間的交互影響規律， 提出氫冷發電機先進密封設計理論與方法。

（3） 關注先進的設計方法學在氫冷發電機密封瓦結構和系統設計中的應用。 以降低耗氫量、 避免發電機進油和減少密封磨損為主要設計目標， 綜合運用發明問題解決理論（TRIZ）、 工程仿生學理論或智能優化算法等， 實現密封瓦結構創新設計和多目標、 多參數、 多工況優化設計。