蜂窝密封

透平机械密封间隙流体激振和蜂窝密封2008-03-1222:52一、密封间隙流体激振密封间隙流体激振是燃气轮机、汽轮机、离心压缩机等叶轮机械普遍存在而不易解决的问题。随着叶轮机械向着高效、稳定、大功率方向的发展，传统密封间隙流体激振的危害日益突出。降低密封间隙的泄漏量，抑制密封间隙的流体激振，确保机组运行的稳定性，已成为现代叶轮机械发展的关键技术之一，下面先探讨一下梳齿迷宫密封气流激振的产生机理。第一种观点：一般认为，由于Lomakin效应、Alford效应、螺旋形流动效应、三维流动效应、二次流效应等造成迷宫密封腔压力沿周向分布不均匀。当气流进入密封体时，不仅以很大的轴向速度通过各腔，而且在轴的带动下具有很大的周向速度，所以气流在密封体内是以螺旋的形式向外流动的。另外，由于轴系因制造等因素导致与密封齿在圆周上间隙的不一致，密封腔中的螺旋形流动使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间的间隙变化不完全对应，最高压力点滞后密封腔最小间隙一定角度，这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏置方向相垂直的切向力，该切向力将激励转子产生涡动，当激振力超过一定值时，就会使转子产生强烈的振动。第二种观点：研究人员从流体弹性耦合的角度认为，密封腔中的流体在转子的干扰下，形成脉动的流场，该流场又激励转子振动。在一定条件下，当流场脉动频率与转子的某阶固有频率相耦合时，将会产生强烈的自激振动。试验表明，梳齿迷宫密封气流激振力的特点是：a密封腔中气流周向速度分量是产生气流激振力的主要原因，密封腔中气流周向速度分量是由进汽预旋和转子旋转所产生的，周向速度增加，直接导致密封的交叉刚度系数迅速增大，从而使气流激振力增大。b气流激振力与密封间隙呈反比例关系。密封间隙的减小，将直接导致密封交叉刚度系数增大，不利于转子的稳定运动。c气流激振的频率一般不高于转速频率，接近一阶频率。d气流激振力与转子偏心量是线性关系，正是由于偏心问题存在而导致气流激振的产生，当偏心越大时，所产生激振力越大，轴的振动亦越大。e气流激振力随介质的增大而近似呈线性关系。由于密封腔中气流的周向速度是产生气流激振的主要原因，目前，多采用下面二种方法来消耗其周向速度：a从机体内引出一股高压介质，以与转子转向相反的方向注入到密封腔中，抵消密封腔气流的周向运动，但这种方法缺点是，增加了有效介质的损失和动力能源的浪费，而且计算较为困难。b阻尼减振密封，即在轴向上适当定位一些插件，从而达到限制密封腔中气流的周向运动，避免不稳定问题，这种阻尼减振密封形式有多种，具有代表性的阻尼密封主要有以下几种：（1）圆孔窝密封：圆孔窝密封的内孔表面上，分布着许多一定深度和直径的盲孔，试验表明，圆孔窝密封的泄漏量是光滑密封的1/3，交叉刚度系数减少20％，最佳结构为：盲孔的深度与直径之比为0.34，盲孔面积之和与密封环内孔表面面积之比为0.34。（2）锯齿密封：锯齿密封环的内孔表面沿周向排列着许多锯齿，齿的斜方面正对着转子的旋转方向，以抑制流体的周向速度，试验表明，锯齿密封的抗泄漏性和阻尼方面，好于光滑密封，但差于圆孔密封，锯齿越多、越深、越有利于降低密封的泄漏量，但主刚度下降，齿深与半径间隙之比为2：9，齿面积占密封环内孔表面积的33％时，锯齿密封的阻尼和刚度都达到最大值。（3）三角形密封：三角形密封的内孔表面有三角形窝网组成，在非同步涡动状态下的研究表明，三角窝密封抗泄漏性优于蜂窝密封和光滑密封，但三角窝过深会使泄漏量增加，存在一个最佳结构，可使泄漏量最小。和光滑密封相比，它可以有效地降低密封腔中流体的周向速度，有利于转子的稳定运行。（4）菱窝密封：菱窝密封的内孔表面由菱形凹槽构成，方槽窝密封可有效减少密封腔中流体的周向速度，增加了转子的稳定性，如将方形凹槽制成交错连通的网格，则可以使密封腔压力分布比较均匀。（5）刷式密封：刷式密封的内孔表面由大量按一定方向排列，可塑的，圆截面的细丝构成的鬓刷式结构，细丝的直径为0.051～0.076㎜，相对轴的旋转方向斜一定的角度，一般用于气体介质密封。刷式密封的研究始于80年代，最初用于军用飞机的发动机。工作状态时密封刷的有效厚度是变量，使得其估算泄漏量和评价制造质量成为难题，同时刷子断丝及细刷丝的最佳分布等问题，尚缺乏一个比较清晰的认识。虽然以上几种阻尼密封在制造方面和使用性能等方面都存在很多不成熟的地方，但蜂窝密封却真正成为阻尼减振密封的佼佼者和代表，它不但理论成熟，并在实际应用中取得了很快的发展。二、蜂窝密封。蜂窝密封的内孔表面是由蜂巢形状的六边形小蜂窝组成。这种密封80年代起就广泛应用于船舶、航天等行业，诸如，美国的U-2飞机、乌克兰GT25000燃气轮机，我国歼-10飞机发动机等。而在石化、电力等民品上使用只是近几年才开始逐步应用，象汽轮机、空压机等一些机组改造利用蜂窝后效果非常明显，效率大为提高，比如贵州某地空气压缩机，其效率提高1.7％～3.4％。在汽轮机上应用蜂窝密封最早是是美国西屋公司（WH）,西屋公司多用于汽轮机的通流改造中，将低压缸的末级叶片的级间密封改为蜂窝密封，蜂窝与叶片的间隙为3～5㎜，其作用是利用蜂窝带的特殊结构吸附水滴，或者弱化水滴的运行速度，达到有效地除湿和保护叶片，提高局部的真空度，进而提高了机组的效率。蜂窝密封的密封结构是由密封环、蜂窝带和轴等构成一简单密封结构，汽封环一般为圆环形，材质为含Cr的合金钢，其外圆与汽封体相连，内圆则与蜂窝带通过钎焊连接在一起。蜂窝带是由一片片冲压成型的箔片组成，箔片的厚度为0.05和0.1mm两种，各箔片之间是靠激光点焊焊接在一起。这样，从正面观察蜂窝带犹如一层层波浪，确保了蜂窝带在高度方向强度很高，不会被强大气流所摧倒或压溃。蜂窝带箔片是由镍基高温合金制成，其合金牌号一般选用GH536。GH536属于镍基固熔强化高温合金，可在900℃以下长期可靠工作。主要用于制造航空发动机和燃气轮机的火焰筒、燃烧室等构件。其主要成分：Ni-Cr-Fe、固熔温度：1177℃、屈服强度：755MPa、抗拉强度：38.5MPa、延伸率：45％、室温平均硬度：HRB87。蜂窝密封带最开始成型状态为平板带状，内部被无数个蜂窝柱状体所分解。由图可见蜂窝带表面由蜂巢形状的六边形小蜂窝组成。蜂窝六边形的边距有0.8、1.6、3.2、4、5㎜等，蜂窝带的高度有3.2、4.2、后，为确保内孔的尺寸公差与形状公差，要求其内孔表面最终用电火花加工成型。5等系列。蜂窝带和密封环之间采用真空钎焊来联结，蜂窝带焊于密封环上。蜂窝密封机理非常很复杂，它具有迷宫密封的热力学效应、流束收缩效应，还具备迷宫密封所不具备的切分效应、涡旋效应、阻耗效应及吸附效应。金属蜂窝密封的密封原理：1.高效的切分效应：每个蜂窝网格的六边就像六把锋利的尖刀，彻底的将强大的气流切割分离为无数弱小气流，并极大的削弱蒸汽的泄漏动力能；2.强烈的阻耗效应：完全封闭式的正六边形蜂窝网格，对蒸汽形成强大的交叉阻尼，强烈的消耗蒸汽的各个方向的动力能，达到密封的效果；3.全面的流束收缩效应：薄韧的蜂窝网格对来自任意方向的蒸汽，都将产生高效的流束收缩效应，其密封效果是梳齿密封的3倍以上；4.强大的涡旋效应：蜂窝网格内交叉刚度强大的蒸汽涡旋，将极大的吸收高速蒸汽与转子相互作用所产生的汽体激震力，提高转子运行的平稳性；5.优良的热力学效应：各个蜂窝网格，能充分的将网格内的气旋动力能阻化（阻止摩擦并转化）为热力能，并迅速的传导出去；6.优异的吸附效应：对于每个蜂窝网格内的涡流而言，蜂窝表面的蒸汽压力和温度都要比蜂窝网格底部的蒸汽低，正是这个压力差和温度差导致蜂对流经其表面的蒸汽产生强大的吸附作用，可以有效除湿；由于金属蜂窝具有诸多优良密封性能，故对气轮机的轴端阻漏起到了非常好的密封效果。实践证明，汽轮机的汽封在同等间隙、同等密封宽度的前提下，蜂窝密封是传统梳齿迷宫密封的泄漏量的1/3；而且，转速愈高，效果愈好；汽封两端压差越高，密封效果愈佳。如果在距离轴瓦较近处安装蜂窝汽封，由于此处轴振动很小，故可减小蜂窝带与轴的径向间隙四分之一左右，那么密封效果就更加明显，泄漏量可以减少到传统梳齿迷宫密封的1/4~1/5，因为密封间隙是提高密封效果的最直接最有效途径。试验表明，蜂窝密封产出的自激力虽校大，然而它提供的主阻尼和主刚度则更大，所以稳定性更好。美航天飞机主机高压涡轮输氧泵把级间的梳齿密封换成蜂窝密封后，消除了转子的低频振动。蜂窝密封能有效地抑制气流在密封腔中的周向流动，在高压差、小密封间隙时，仍能保证机组的稳定运转，从而降低了泄漏损失，提高了机组的效率。蜂窝密封更适合于较大压差的场合。另外，在发电机低压缸的末级叶片的级间密封改装蜂窝密封，不仅可提高效率，而且可以利用蜂窝的特殊结构吸附水滴，或者弱化水滴的运行速度，从而有效地除湿，保护叶片。另外，用动态测试方法对光滑密封、梳齿密封及蜂窝密封进行了对比实验，利用流体动力稳定性理论、边界层理论和能谱分析法等工具进行了实验结果分析，结果表明：密封间隙气体压力脉动谱为离散谱，峰值最高者为光滑密封，其次为梳齿密封，最低者为蜂窝密封。光滑密封和梳齿密封的谱线集中，而蜂窝密封的谱线分散，为多峰谱图，说明蜂窝密封的内表面粗糙度加剧了气流的扰动，导致了多峰谱图的产生。频谱成分的增多意味着能量的耗散，即减少了密封流体对转子激振的能量。同时利用流固耦合非线性振动模型，对实验结果进行了初步的分析，理论分析结果与实验结果有较好的一致性，从而揭示了蜂窝密封的减振机理，为高效阻尼密封的设计与应用提供了可靠的依据。蜂窝密封在汽轮机轴封上应用时的密封特性与下列因素有关：1)蒸汽的压强越大，密封效果越好；2)蒸汽的温度越高，密封效果越好；3)蜂窝密封两侧的压差越大，密封效果越好；4)密封件间的相对转速越高，蜂窝密封效果越好；5)密封间隙越小，密封效果越好；6)蜂窝晶格越小，密封效果越好；蜂窝密封是一种安全、稳定、高效的阻尼减振密封，是提高现代汽轮机经济性、稳定性和安全性重要的途径，是值得广泛推广的高新密封技术。