迷宫式气封泄漏流量理论计算与试验验证

曾 飞，吴 飞，李 冠

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

密封问题的设计研究在科学和技术领域都有非常重要的意义，对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。迷宫式气封作为旋转机械中用来密封高压气体的必要部件，在世界主流燃气轮机中获得了广泛的应用。在燃气轮机通流级内，由于各级前后存在有较大的压差，在动叶顶部、静叶底部的动静间隙处存在泄漏损失，使燃气轮机的效率降低。为了提高机组的效率，在燃气轮机中广泛采用迷宫式气封，使通过的高温高压工作气体产生节流与热力学效应从而达到密封效果，因此降低泄漏损失成为世界各国燃气轮机公司和电厂等各类用户瞩目的重要研究课题。然而，近十年来，随着单机参数、效率的不断提高以及机组频繁的调峰运行，几乎每年都有动静碰磨事故发生，给电厂带来重大的损失。如何在密封性能和运行安全性这对矛盾中间找到最佳平衡点，就成为迷宫式气封设计的关键。

设计者在进行燃气轮机整机方案设计阶段，对于迷宫式气封的选型，首要关注的就是气封泄漏流量。当前，计算迷宫式气封泄漏流量的方法[1]主要有阿道夫·艾格力的经验计算方法、Flowmaster 程序数值模拟计算方法、计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD） 程序数值模拟计算方法等。

采用Flowmaster 和CFD 程序数值模拟计算方法，不仅需要建立数值分析模型，而且计算过程需要耗费相当长时间，对计算机的要求也非常高；而采用阿道夫·艾格力的经验计算方法[1]，如果将计算公式编制成Excel 计算程序，仅仅需要输入若干个参数，瞬间即可输出泄漏流量结果，设计者可以快速尝试不同参数的迷宫式气封，挑选出最佳参数。然而，不管采用哪种计算方法，其计算结果的可靠性只能通过试验的方式加以验证。

1 阿道夫·艾格力迷宫式气封泄漏流量计算方法

该经验计算方法[1]主要通过以下方式，获得迷宫式气封泄漏流量：一是基于气封压比和气封齿数的流动公式；二是基于气封间隙和齿顶宽度的压缩因子；三是对于直通齿迷宫式气封，定义了一个基于气封间隙、气封节距、气封齿数的载越因子。图1 为设计的迷宫式气封结构图。

图1 迷宫式气封结构图

迷宫式气封结构参数：进口压力P1=136 kPa；进口温度T1=318 K；出口压力P2=95.7 kPa；气封半径R=335.5 mm；气封间隙δ=0.5 mm；气封节距S=4 mm；气封齿数n=10；齿顶宽度Δ=0.25 mm；压缩因子为0.7；载越因子为2.2。其中，压缩因子和载越因子参考阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]选取。使用阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]，计算出的理论泄漏流量为0.167 kg/s。

2 迷宫式气封泄漏流量试验验证

1） 试验台工作原理。图2 为气封试验台系统图；图3 为气封试验台实物图。空气经小流量、大压比罗茨鼓风机压缩后，经出口消音器进入储气罐，再经涡轮流量计进入试验台本体，由试验台本体中的气封装置排入大气。为保证运行安全，储气罐上方设有安全阀，以保证系统超压时能迅速打开安全阀泄压。储气罐设有调节阀和放空阀，以调整所需要的进气压力，从而保证试验所需要的压比。因为气封装置的间隙是气体流经调节阀后的唯一出口，所以通过涡轮流量计的质量流量即为该气封装置在某工况下的泄漏流量。

图2 气封试验台系统图

图3 气封试验台实物图

2） 气封试验台本体结构。在气封试验台的设计中，为了尽量保证气封进气均匀性，采用从进气管道轴向进气，气流在筒体中均匀后，进入气封装置的间隙。由于试验台筒体采用整圈结构，气封装置的间隙是气流泄漏的唯一通道，则进气的质量流量即为气封的泄漏流量。图4 为气封试验台本体结构，由变频电机、试验转子、气封装置、筒体、基架及轴承组成。

图4 气封试验台本体结构

3） 气源选择。由于燃气轮机的气封前后压比一般小于2，而气封的漏气量为小间隙流，从经济性和测试功能两方面考虑，最终选择一台小流量、大压比罗茨鼓风机，试验压比最大可达1.7~1.8，最大进口流量可达14.7 m3/min。

4） 管路设计。为了使高压气体压力稳定，以保证进入气封装置的压力不致波动太大，从而保证测试精度，系统配备了一个1 m3储气罐。经过鼓风机升压后的气体经过管道打入储气罐，储气罐出口管道上设有调节阀和放空阀，二者配合动作可调节阀后压力，达到所需要的气封进口压力，调节阀后的气体经过一段足够长度的直管后，进入流量测量仪表，然后进入气封试验装置。

5） 气封试验结果。通过试验验证，图1 的迷宫式气封泄漏流量为0.138 9 kg/s；而使用阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]，计算出的理论泄漏流量为0.167 kg/s，相对于试验结果，偏差为（0.167-0.138 9） /0.138 9=20.2%。从而可以得出结论：阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]满足工程应用要求。

3 迷宫式气封泄漏流量计算程序

通过Excel 表格，应用阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]中的计算公式，编制迷宫式气封泄漏流量计算程序，根据输入结构和气体参数，计算气封临界压比和气封泄漏流量。

输入结构和气体参数：主流流量为80 kg/s；气封类型为直通式；气封转速为6 000 r/min；进口压力为136 kPa；出口压力为95.7 kPa；进口温度为318.00 K；气封半径为335.5 mm；气封间隙δ=0.5 mm；齿数n=10；气封节距s=4 mm；齿顶宽度Δ=0.25 mm。

气封临界压比计算过程与结果：绝热指数k=1.4；齿数n=10；临界压比β=0.231 2；进口压力P1=136 kPa；进口温度T1=318 K；出口背压P2=95.7 kPa；压比π=0.704。由于未达到临界状态，因此临界压力Pcr、绝热等熵膨胀后温度T2、静温度降△T的数据均不存在。

气封泄漏流量计算过程与结果：气封压比π=0.704；间隙-齿顶宽比c/t=2.00；压缩因子为0.7；PR 因子为0.228 5；气封流通面积1 054.00 mm2；气封流量为0.075 9 kg/s；串联气封流量一致调整的间隙-节距比c/p=0.125；载越因子为2.2；气封流量为0.167 0 kg/s；泄漏量占主流流量百分比为0.21%。

通过该计算程序，只需要输入绿色表格内的参数，即可瞬间获得需要的泄漏流量。

4 结束语

燃气轮机迷宫式气封结构基本类似，本文通过试验的方式，验证了阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]，得出的结论是：该计算方法满足工程应用要求。为了快速计算出迷宫式气封泄漏流量，笔者利用Excel 软件，将阿道夫·艾格力的迷宫式气封泄漏流量经验计算方法[1]编制成一个简单实用的计算程序，仅仅需要输入若干个参数，瞬间即可输出泄漏流量结果，设计者可以快速尝试不同参数的迷宫式气封，挑选出最佳参数。