汽轮机轴端螺旋汽封的设计研究.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:辽宁省教育厅项目()作者简介:孟召军()男辽宁凌源人教授硕士生导师 研究方向:汽轮机故障诊断与性能优化汽轮机轴端螺旋汽封的设计研究孟召军梁 策 孟书宇杨子健艾 涔王克宇刘 达张 淏(沈阳工程学院沈阳)摘要:针对常见机组的汽轮机传统三段式轴封系统存在的漏汽(气)量较大的缺点在不改变汽轮机的轴端长度及轴封系统设置的基础上将原汽轮机轴端的三段直齿环型汽封的内外两段设计成一种旋向相反的非接触螺旋汽封利用螺纹旋转斥气效应减少汽缸内部蒸汽漏出、汽缸外部空气漏入的效果进而降低汽轮机的漏汽损失提高汽轮发电机组的效率 为了验证新型汽封的封汽(气)效果利用有限元软件对在相同工况下的新老汽封的
2、内部流动状况进行了仿真分析对两种汽封的蒸汽漏出量与空气漏入量进行对比分析分析结果表明:在相同工况下新型螺旋汽封比传统梳齿汽封漏汽量减少约 空气漏入量减少约 验证了新型螺旋汽封设计的可行性研究结果为汽轮机轴端汽封的灵活性改造提供了参考关键词:新型轴端汽封漏气量螺旋汽封分类号:.文献标识码:文章编号:()():().:前 言汽轮机汽封是汽轮机通流部分中减少蒸汽泄漏的专用部件为了减少汽轮机漏汽提高汽轮机效率汽轮机各制造厂普遍在汽轮机上加装各种汽封 传统轴封如图 所示轴封系统的投入使得汽轮机各轴端漏汽(气)量增大导致汽耗增加同时增加了抽气器、除氧器的工作负担导致厂用电率增大进而影响机组经济性 综合考虑
3、目前轴封系统存在的问题本文提出并设计出一种新型轴端无接触螺旋汽封在不改变汽轮机的轴端长度及轴封系统的基础上将原汽轮机轴端的三段直齿环型汽封的内外两段设计成一种旋向相反的非接触螺旋汽封将传统的梳齿形汽封改为螺纹齿利用螺纹旋转的斥气效应能有效地减少轴端空气漏入和汽缸内蒸汽漏出提高了蒸汽的利用率减少抽气器负担可以很大程度上改善目前轴封系统的密封能力新型轴端螺旋汽封的结构设计如图 所示 三段轴封中的首末两段根据轴的旋转方向设计加工成左旋或右旋汽封长度与梳齿汽封一致 在密封的轴表面车制螺旋槽与汽缸轴端配合构成直通型螺旋密封 螺旋截面形状有三角形、锯齿形和方形螺旋头数有单头和多头第 卷 第 期汽 轮 机
4、技 术.年 月.图 传统三段式轴封图 汽轮机轴端螺旋汽封的结构设计由于螺旋汽封在汽轮机上尚未用应用为了验证新型汽封的封汽(气)效果有必要对螺纹轴封和传统齿形轴封在相同工况下内部流动状况进行对比仿真分析 螺旋汽封的工作原理螺旋密封应用于许多尖端技术领域如气冷堆压缩机密封、增殖堆钠泵密封等有时也用于减速机高速轴密封它的最大优点是密封偶件之间即使有较大的间隙也能有效地起到密封作用如设计合理其使用寿命可达到无限大螺旋密封可用于高温、深冷、腐蚀和带有颗粒等的液体密封条件苛刻密封效果良好 螺旋汽封的工作特点也十分契合汽轮机轴封系统的工作环境代替传统梳齿型迷宫汽封该汽封在汽轮机轴端工作原理是采用不同旋转方向
5、的螺旋利用螺纹旋转的斥气效应使得轴封的密封效果提升 能有效地减少轴端空气漏入和汽缸内蒸汽漏出提高经济性然而不同尺寸不同槽宽的密封齿密封效果不尽相同最佳螺旋尺寸可用图 所示的螺旋密封及其展开图加以说明图 直通型螺旋密封及其展开图当把一根螺杆置于同心的轴套上作旋转转动时若间隙不大便成为一个螺杆泵这时一端的流体便会泵送到另一端同时获得一定的速度和压力 图 中右图为这种螺旋的展开图 在 点的流体获得 的轴向速度在 点获得 的轴向速度 由于流体有黏性靠近齿的 点比远离齿的点获得较大的能量因此 将大于 这便是“黏性效应”由于这一能量流体被螺旋推向 方 这便是“泵送效应”当螺旋密封的斥汽(气)量和泄漏量相等
6、时就达到密封即密封条件是:()()式中 为螺纹周速/为密封内压与外压的压差 为螺旋角()为槽宽 为齿距 为齿高 为间隙简化后得:()式中 为密封系数()()/()由上式推导可知当流体密封介质的黏度、螺旋轴的转速、密封的动静间隙均为定值时螺旋汽封的有效长度 与密封系数 成一定比例关系 所以要密封一定压差的流体时与密封长度 成反比越大的 所需密封长度越小 传统齿型轴端汽封与螺旋汽封仿真模型建立及网格化分 参考某常见机组的低压缸轴封侧建模建造梳齿汽封模型与螺旋汽封模型为了减少其它因素对密封效果的影响对两种汽封模型进行理想化简化统一设计利用 软件中 模块进行建模如图()与图()所示模型青色部分为轴体轴
7、体总体长度为 轴体半径为 三段式密封设计蒸汽侧汽封长度为 中间段汽封长度为 空气侧汽封长度为 每段之间留有 空白段对应壳体中 腔室与 腔室 梳齿汽封齿的齿宽为 槽宽为 齿顶间隙为.螺旋汽封齿的齿宽为 槽宽为 螺旋升角为 螺纹头数为 图 梳齿汽封模型汽封壳体设计如图()与图()透明部分所示壳体模型左侧为部分汽缸中间有两个腔室从左到右依次是轴封供汽腔室和轴封抽气腔室 轴封供汽孔与轴封空气孔半径皆为 为了保证仿真中模拟出轴封供汽与轴封抽气的流体流动状态建出 轴封供汽管道与抽气管道通向 汽 轮 机 技 术 第 卷图 螺旋汽封模型腔室与 腔室 避免其它因素对汽封密封效果的影响梳齿模型与螺旋模型壳体设计参
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