高温气冷堆主氦风机主轴的迷宫密封泄漏特性*

2022-07-14索双富张妙恬

润滑与密封 2022年7期

丁军索双富张妙恬

(1.华北科技学院机电工程学院河北廊坊 065201; 2.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京 100083；3.清华大学机械工程学院北京 100084)

主氦风机作为高温气冷堆核电站关键设备，安装在一回路内部蒸汽发生器输出端，驱动反应堆冷却剂在一回路内循环[1]。由清华大学设计的立式氦风机主轴的级间密封采用的是迷宫密封，轴端密封采用的是干气密封，同时轴端密封还有迷宫密封作为辅助密封。轴端迷宫密封有2个方面的作用，一是防止轴承润滑油进入密封环而污染干气密封，另一方面是防止氦气泄漏，而使氦气顺利进入到氦气回收系统。其工作最大压力为0.8 MPa，常温工况下，轴工作转速为4 000 r/min，最高转速为4 400 r/min。迷宫密封是一种广泛运用在透平机械、压缩机、汽轮机中的非接触式密封，是依靠节流间隙中的节流过程和密封空腔中的动能耗散过程来实现密封，其存在以下效应：摩擦效应、收缩效应、热力学效应和透气效应[2-4]。多年来，国内外研究人员从多方面对迷宫密封泄漏特性进行了研究，主要集中于密封总体结构，节流齿的间隙大小，密封的齿数以及齿形和倾斜角等[5]。宋占宽等[6]通过CFD技术验证了迷宫密封在偏心率不变的情况下，密封泄漏量随着节流间隙的增大而增加；密封泄漏量随着压比的增大而增加。郑文斌等[7]为减少泄漏量，提出一种在直通型迷宫密封的密封齿前端和后端设立凹槽的密封结构。李飞和赵斐[8]以错齿式迷宫密封结构为研究对象,在4种不同压比下，通过Fluent软件研究间隙宽度和空腔深度对泄漏量的影响机制。GAMAL和VANCE[9]进行了迷宫密封的试验研究，分析了偏心率对迷宫密封泄漏特性的影响。余焱群等[10]设计了海上平台复合井口直通式迷宫密封装置，基于流体动力学理论建立了流体泄漏模型，详细研究了各结构参数对流体泄漏量的影响，确定了密封本体结构。张雨和张开林[11]以直通式迷宫密封为研究对象，分析高速列车齿轮箱转子旋转和箱体内部温度对迷宫密封性能的影响，结果表明在小半径、低转速情况下，转子旋转造成的结构离心变形对密封性能影响有限；在大半径、高转速情况下，需要考虑离心变形对密封间隙的影响；同时在工程应用中，温度造成转子结构热效应膨胀变形不可忽略。孙丹等人[12]通过数值模拟技术研究了不同进出口压比下非金属材料迷宫密封齿变形对密封性能的影响。徐文杰和王建文[13]对直通型、阶梯型及交错型 3 种迷宫密封流场进行数值分析，研究其封严特性及动力学特性，分析进出口压差、转子转速对迷宫密封泄漏量及动力学特性系数的影响。丁军等人[14]通过数值模拟研究了直通型迷宫密封的间隙宽度和空腔深度对密封泄漏特性的影响，结果表明，泄漏量随着间隙宽度的增加而增加；泄漏量随着空腔深度的增加而增加。

考虑到对迷宫密封泄漏特性研究多以数值模拟为主，本文作者采用CFD技术和密封试验相结合，分析主氦风机所用迷宫密封的齿宽、空腔宽度、出入口压差和轴的转速对泄漏特性的影响，并利用建立的密封试验平台验证数值模拟的准确性，为主氦风机的主密封和平衡密封辅助系统设计提供重要依据。

1 数值计算模型

1.1 控制方程

文中所研究的迷宫密封内部流场可采用定常过程进行描述[15]。考虑流动介质的黏性，则满足定常、可压缩、黏性的雷诺平均Navier-Stokes方程来描述流场，其中包括连续性方程、动量方程、能量方程。选用的湍流模型是基本的两方程模型,即标准k-ε模型。

1.2 边界条件

壁面采用无滑移壁面条件，工作介质设为可压缩空气，环境温度设为300 K，出口处的压力为一标准大气压，进口压力0.3 MPa。

1.3 离散格式与求解算法

对流项采用的离散格式为二阶迎风格式，采用分离式求解法对离散方程进行求解，压力-速度耦合采用SIMPLEC 算法。

1.4 几何模型

在建模过程中，其主要的结构参数为齿宽Hc、空腔深度Vc、密封间隙Dc、空腔宽度H、齿数n(级数)，选取级数n=4。初选的结构参数如表1所示，几何模型如图1所示。

图1 迷宫密封内部流场几何模型

2 数值模拟结果及分析

2.1 空腔宽度影响分析

通过FLUENT模拟得到空腔宽度分别为1.2、1.4、1.6、1.8以及2.0 mm下的泄漏量，如图2所示。可知，泄漏量随着空腔宽度增大而减小。分析可能存在2个原因，一是因为当空腔宽度增大时，使整个空腔面积增大，使进入迷宫密封空腔内的流体增大，从而增大气体的能量耗散，减少了泄漏量；二是空腔宽度增加，密封间隙长度增加，而间隙增加的部分只有单侧与密封轴接触，另一侧与空腔相连，这样会使透气效应降低，会导致更多的流体进入到空腔内，形成更加复杂的紊流，最终导致泄漏量降低。

图2 泄漏量随空腔宽度变化

2.2 密封齿宽影响分析

通过FLUENT模拟分别得到齿宽为0.2、0.4、0.6、0.8以及1.0 mm下的泄漏量，泄漏量随齿宽的变化曲线如图3所示。可以看出，泄漏量随齿宽的增大而减小，分析产生的原因是随着齿宽增加，导致空腔之间的间隙增大，流体在间隙内的流动时间更久，会导致在空腔内形成更强的涡流，增大能量的耗散，从而减小了泄漏量。但如果间隙总长固定的情况下，齿宽过大会造成密封环的厚度增加，从而导致密封齿数减少，这样反而会影响密封性能。

图3 泄漏量随齿宽变化

2.3 轴的转速影响分析

迷宫密封属于动密封，一般都用于高转速的工况下，所以研究转速对迷宫密封泄漏特性的影响非常有必要。

分别选择转速为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min，通过FLUENT模拟得到不同转速下的泄漏量，如图4所示，可以看出，泄漏量随着转速的增加而降低，但变化量很小。可见，在低转速下转速对迷宫密封泄漏量的影响很小，分析产生的原因可能是，在转速较低情况下，在齿尖的流体周向速度远小于节流间隙内的气体泄漏速度，所以对泄漏量的影响很小。但是随着转速的增加，泄漏量出现降低的原因可能是，一则旋转使流体的流道成为螺旋线，这样增大沿程摩擦阻力，二则旋转的离心力使密封齿径向膨胀，这样也就会造成间隙宽度的减小。

图4 泄漏量随转速变化

2.4 入口出口压差影响分析

为了研究入口和出口压差的影响，分别选择压力差为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa进行模拟计算,得到不同压差下的泄漏量，如图5所示。

图5 泄漏量随压差变化

由图5可知，泄漏量随压差的增大而增大，且近似成正比关系。分析主要是因为随着进口压力增大，导致气体在进口间隙处的速度不断增大，会造成进入密封的气体大量增多。虽然压力增大会使进入空腔内流体的紊流强度增强，进而导致空腔内气体耗散量增大，起到降低泄漏的效果，但是由于气体进入密封时，经过节流加速后，气体出口速度会非常大，很大程度上增大气体泄漏量，导致密封性能降低。

3 迷宫密封实验研究

3.1 实验装置及密封件

文中采用的迷宫密封实验装置主要由压力容器、电机、转轴、联轴器、压力表、一个小型润滑系统、压缩机和底座等组成,如图6所示。

图6 实验装置

按照表1选定的结构参数来加工实验所用的迷宫密封件。零件如图7所示。

图7 迷宫密封密封件结构

迷宫密封件固定在压力容器上，电机轴和密封部分的轴是分别独立的，由联轴器将它们连接在一起。如图8所示为迷宫密封件安装位置。

图8 迷宫密封件安装位置

3.2 实验过程

实验的基本参数如表2所示。实验时，启动电机，电机通过联轴器带动容器的轴转动；打开气体入口电磁阀，调节控制阀，控制入口气体压力为0.3 MPa，分别设置电机轴转速为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min，在5种转速下通过出口的流量计测得压力容器出口的流量。然后依次减小电机转轴转速，再次测量5种转速下容器出口流量，并取其平均值。然后停止电机，调节入口控制阀，控制压差分别是0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa，测量5种压差下压力容器出口的流量；再通过调节控制阀依次减小入口压力，再次测量容器出口的流量，并取其平均值。

表2 实验装置基本参数

3.3 数据结果及分析

通过迷宫密封密封实验分别得到泄漏量随轴转速以及出入口压差的变化，同时还给出了仿真值和实验值对比，如图9、10所示。可以看出，迷宫密封的泄漏量随着转速的增加而降低，但是变化量很小；随着出入口压差的增大，迷宫密封泄漏量也随之增大，且两者近似成正比关系。比较图9、10中仿真值和实验值可知，仿真和实验得到的泄漏量整体变化趋势是一致的，两者误差在6%～8% 之间，说明所选取的数值计算方法上是可靠的，误差产生的原因有可能是温度、摩擦以及其他因素的影响。