刷式汽封性能试验分析

田朝阳 孔祥林 周伟久

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

刷式汽封性能试验分析

田朝阳 孔祥林 周伟久

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

刷式汽封是近年发展起来的一种高效阻尼密封， 其泄漏量是梳齿迷宫密封的 1/5～1/10[1]， 并允许动静之间瞬态严重不同心而保持密封能力不变，既提高了机组效率，又改善了转子的稳定性，是现代透平机械发展的关键技术之一。为了研究刷式汽封的密封效果，对刷式汽封和传统迷宫汽封进行性能对比试验，试验结果表明刷式汽封漏气量较小，性能较好，但对制造加工工艺要求较高。

刷式汽封；透平机械；性能试验；加工工艺

0 引言

密封问题的设计研究在科学和技术领域有非常重要的意义，对汽轮机、燃气轮机以及航空和航天发动机等透平机械的设计尤为重要。

汽封是大型旋转机械中用来密封高压汽体泄漏的必要部件，汽轮机级内，由于各级前后存在较大的压差，在隔板和主轴的间隙处，以及动叶顶部与汽缸间隙处存在漏气。另外，在汽轮机的汽缸两端主轴穿出汽缸处，蒸汽也会从动静间隙处向外泄漏，这些都会增加漏气损失，使汽轮机的效率降低，为提高机组效率，广泛采用汽封阻挡以上各处的漏汽 （气）， 使通过的工作蒸汽产生节流与热力效应而达到密封效果。

传统迷宫式汽封是一种非接触式刚性密封，间隙较小，汽封齿会在和转子碰磨后很快磨损，而且还会因为两个刚体碰磨而带来安全问题。另外，由于结构限制，传统迷宫汽封在实际运行中并不能完全保证设计间隙，由于机组起到过临界，异常的振动超差，甚至由于运行人员的操作失误等原因，都有可能造成汽封永久性磨损，而密封间隙也会大幅增加，引起泄漏损失的增大，因此仅仅通过更换汽封圈不能有效提高机组效率[2]。

刷式汽封是一种柔性密封，它能适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，因此能做到在保证安全的前提下尽量减小密封间隙，同时由于增加了转子振动阻力，还有利于改善转子的稳定性。由于刷式汽封较好的密封效果，在国外已得到广泛应用，在航空发动机领域，刷式汽封的应用已超过10年； 在工业燃气轮机领域， 世界几大知名企业也均在其产品中采用了刷式密封[3]。

1 刷式汽封工作原理

图1 刷式汽封结构简图

刷式汽封由前、后固定面板及夹持中间的高密度集高温合金细金属丝组成的刷毛束构成，如图1所示。刷丝沿转子旋转方向有一定的倾角，这样每根细金属丝都类似于小弹簧，集合而成的刷毛束能通过柔性退让吸收转子的径向偏移，并且很容易恢复闭合状态，保证优越的密封性，即使短暂与转子过盈接触也不会像迷宫式汽封一样出现永久性的磨损。

刷式汽封内流动形态与迷宫式汽封有较大的区别，由于刷毛束的多孔介质特性，从迷宫式泄漏的气流直接冲撞到刷毛束上，由于刷丝间间隙的不均匀性，气体进入刷毛束中就变得不均匀了，一部分经过多孔介质刷毛束渗流进入下一腔室，另一部分形成回流在腔室内构成一个较大的旋涡流，将气流的动能转化为热能。由于刷毛束破坏了流动而确保流动的不均匀性，使流体产生了自密封效应，泄漏的气流经过刷毛束后压力下降较大，因此刷毛束能够有效阻止气流的泄漏量，提高密封效果。随着压比的增大，刷子中刷丝的密度增加，刷丝之间的空隙减少而使有效的泄漏面积减少，同时使泄漏流动的阻力增大，从而使泄漏随压比的增加梯度降低。

多孔介质内流动相对于非多孔介质流动要受到附加的流体与刷丝束表面间摩擦阻力的作用。多孔介质的渗透率系数是多孔介质通过流体能力的表征参数。牛顿流体通过多孔介质的速度和压降可由 Darcy 定律给出[4]。

其中， xi代表流动的方向， Ki是多孔介质的渗透率系数， ui是 xi上的流动速度， P 和 μ 是流体的压力和动力粘性系数。

式 （1）是仅考虑了粘性阻力效应的线性化的Darcian 多孔介质模型。 针对刷式密封，发展了考虑粘性阻力和内部阻力的压降计算公式，见式（2）

其中， ai是三个正交方向的粘性阻力系数， bi是三个正交方向的内部阻力系数。

式 （2）简化为式 （3）：

其中， ai和 βi分别表示内部阻力和粘性阻力。已知 ai和 βi可以计算多孔介质的渗透率系数 Ki。

2 试验方法

刷式汽封和传统迷宫式汽封试验在汽封试验台进行，汽封试验台系统如图2所示。试验台最大试验压比可达 1.8， 最高转速达6000r/min。 试验时通过进气调节阀和放空阀调节进气压力。气体经涡轮流量计进入汽封试验台筒体，而汽封间隙是筒体的唯一出口，所以涡轮流量计所测流量即为通过汽封间隙实际泄漏的体积流量，再通过所测压力、温度计算气体密度即可得到质量流量。

图2 汽封试验台系统

3 汽封试验及结果分析

试验针对刷式汽封和迷宫式汽封做性能对比试验，包括变速试验和变压比试验，两试验在不同安装间隙下进行多次，变速试验时，压比为1.4， 转速变化范围 0～3000r/min； 变压比试验时，转速稳定在 3000r/min， 压比变化范围为 1.1～1.6。图3为汽封安装示意图。

图3 汽封安装示意图

根据试验结果，刷式汽封相比传统迷宫式汽封泄漏量水平较低，其泄漏量约为迷宫式汽封的1/5。 由图4 可知， 在相同压比下， 两种汽封的泄漏量随转速的升高泄漏量均有所减小，说明转子旋转使气流产生了切向分速度，使得气流在汽封腔室产生周向漩涡，干扰了气流的正常流动，从而减小汽封泄漏量，但泄漏量的减小幅度不大；根据图5可知，在同一转速下做变压比试验，迷宫式汽封泄漏量随压比的升高一直增加，而刷式汽封在压比较小时泄漏量随压比的增加而增大，但泄漏量增大的梯度有所减缓，当压比到达一定程度时，泄漏量会随压比的升高出现明显的下降。试验结束后，部分刷丝有磨损现象，尤其是汽封段两端刷丝。

图4 两种汽封不同间隙下泄漏量随转速的变化

图5 两种汽封不同间隙下泄漏量随压比的变化

刷式汽封中，其主要部件刷毛是一束捆扎在一起的高密集度的高温合金细金属丝，按一定方向排列的刷毛束被钎焊在左右两侧的圆环上，后面板与刷丝自由端的距离以及刷毛束焊接强度对刷丝的刚度均有重要的影响。在压比增大时，刷子中刷丝密度增加，刷丝之间的空隙减少而使有效的泄漏面积减少，从而减小了泄漏量增加的梯度，当压比大到一定程度时，刷毛两侧压差较大，刷丝的排列角度会增加发生变形，刷毛束与转子的径向间隙减小，随着压比的增大泄漏量不增反减，压差较大时，刷丝会和转子发生过盈接触从而产生永久性磨损。因此，刷式汽封虽然密封效果较好，但对刷丝焊接强度等均有较高的要求。另外，不同的刷式汽封生产完成后均有其最佳适用范围。

由试验还得知，间隙是影响汽封泄漏量最关键的因素，如果汽封间隙无法严格控制到位，任何汽封结构的优化和改进都将失去意义。

4 结语

通过本文对刷式汽封及迷宫式汽封试验结果的分析，刷式汽封泄漏量较小，密封性能较好，但刷式汽封的性能和其加工制造工艺有关，也就是说其质量特性的正态规律不严格，不同批次的刷式汽封其适用范围可能会略有不同。因此，刷式汽封能够起到较好的密封作用，但对其加工工艺要求也有较高的要求。

[1] 何立冬,袁新.刷式密封研究的进展[J].中国电机工程学报, 2001,21(12):28-3253

[2] 魏琳健,李春清,高雷,寇丹.汽轮机密封技术的应用和发展.热能动力工程 ［J］,2005,20(5):455-458,549

[3] 刘 青.刷 式 汽 封 结 构 原 理 及 其 应 用 ［J］.煤 炭 科 技 ,2009 (1):73-74

[4] 黄学民,史伟,王洪铭.刷式密封中泄漏流动的多孔介质数值模型[J].航空动力学报,2000,15(1):55-58

Perform ance Test and Analysis of Brush Steam Seal

Tian Chaoyang， Kong Xianglin， Zhou Weijiu
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The brush steam seal is an efficient damping seal developed recently,its gas leakage is about 1/5 ～1/10 of comb labyrinth seals,it can keep seals unchanged when occuring transient severe different heart between the rotor and stator， it not only increases the efficiency of the unit but also improves the stability of the rotor,so it is one of the key technology for the modern turbomachinery development.A contrast test for the brush steam seal and traditional labyrinth steam seal is made， in order to research the effect of brush steam seal.The result shows that the brush steam seal has lower or leakage and better performance,but higher request formanufacturing process.

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田朝阳 （1985-）， 男， 河南人， 毕业于华中科技大学， 工学学士， 助理工程师， 从事气动试验研究工作。