借鉴自然巧构密封新章驱动工业迈向绿色征程
在全球向绿色低碳加速迈进的征程中,一项聚焦迷宫密封技术优化的创新研究项目,正为工业设施的高效运行与节能减排提供关键助力。
煤电行业作为碳排放的 “大户”,其低碳发展对实现 “双碳” 目标至关重要。截至 2024 年 6 月,我国煤电装机容量达 11.7 亿千瓦,占总发电装机容量的 38.1%,发电量占比高达 61.9%,可见其在能源领域的主体地位。而汽轮机作为燃煤发电的关键原动机,密封装置又作为汽轮机核心部件,其技术提升迫在眉睫。进一步地,在包括燃气轮机、各类压缩机和膨胀机在内的透平机械轴端密封、级间密封技术体系中,密封技术更是直接关乎整体机组运行的经济性和可靠性。
以汽轮机为例,下图所示为典型的汽轮机结构图。汽轮机轴端、隔板和通流部件的蒸汽泄漏,会造成约 30% 的内部损失,其中转子两端的轴端汽封泄漏为外泄漏,其泄漏控制特别的重要:高中压轴端汽封蒸汽泄漏会造成高品质蒸汽损失、工作环境恶化和轴承油质劣化,低压轴端汽封的空气窜入则会破坏机组真空,进而增大抽气负荷、降低机组效率。汽轮机汽封径向间隙内的不平衡蒸汽作用力会产生显著激振力,进而引发汽流激振问题,并慢慢的变成为影响机组运行安全和限制功率提升的关键制约因素。传统的接触式密封虽大范围的应用,但存在诸多问题,如能源利用效率和转化率低,密封面易磨损,设计制造复杂,安装和维护成本高,在高温度高压力等极端条件下性能受限。其安装过程繁琐,涉及多道工序和精确操作,稍有不慎就会影响密封效果或损坏密封件。相比之下,迷宫密封技术作为非接触式密封方案,凭借复杂的路径设计有效控制蒸汽泄漏,具有适应能力强、运行可靠、磨损小等优点,慢慢的变成为高参数超临界汽轮机组的主流选择。然而,对迷宫密封而言,低泄漏与易拆装两者存在结构矛盾性,目前传统结构很难二者兼得。因此,开展同时满足低泄漏且易拆装特性的迷宫密封系列研究具备极其重大的理论价值和实际意义。
本文通过借鉴自然界中堤坝两侧为方便鱼类洄游而设计的高流阻生态鱼道,创新地设计了一种仿鱼道双面交错迷宫密封新结构。通过商用软件数值模拟对比分析了不同齿形倾斜角下弧边和直边仿鱼道迷宫密封的泄漏特性,通过密封齿腔和间隙内速度场分布、湍动能耗散率和粘度分布分析以揭示不同结构密封阻流控漏机理,研究了密封间隙、齿腔纵横比、进口系数和齿厚等关键几何参数对弧边仿鱼道迷宫密封泄漏特性和流场分布的影响规律,并辅以不同齿形倾斜角下弧边仿鱼道槽迷宫密封泄漏特性测试以与模拟结果对比验证。旨在推动我们国家高端能源装备制造领域的自主创新进程,为达成“双碳目标”贡献坚实的技术支撑力量,确保能源利用高效化、碳排放降低化,积极助力我国能源产业的绿色可持续发展转型。
从生态鱼道获取灵感。生态鱼道的高流阻特性,与迷宫密封控制蒸汽泄漏需求契合。自然界中高筑的堤坝阻挡了鱼类洄游的水路,而堤坝两侧的生态鱼道为洄游鱼类提供了逆流而上的通道。对于生态鱼道而言,高水位的水流在重力作用下顺着鱼道向下流动,而较大的水流速度会对鱼类逆流游动造成非常大的阻力,如何通过增大鱼道内水流顺流阻力以实现较低的流速至关重要。下图中所示为一种典型的高流阻迷宫形生态鱼道,其由多个串联布置且具有高度差的圆缺形流道单元组成,相邻圆缺形流道呈交错状排列而形成迷宫流道,两者之间通过较窄的缝隙流道相连通,一方面可利用水流在圆缺形流道内产生漩涡而增强流动阻力,另一方面通过较窄的连通流道减小流通面积,进而达到减小流速的效果。基于此,提出仿鱼道双面交错迷宫密封新结构。一种典型的仿鱼道迷宫密封整体的结构为由开设弧形迷宫齿的转子和静子所组成的密封副,且密封副表面迷宫齿沿轴向交错排列,弧形齿迎风面与配对密封副上弧形齿背风面之间形成了类似于生态鱼道的圆缺形鱼道单元的弧边密封腔,用于供气体在齿腔内形成漩涡而耗散能量;弧形齿顶与配对密封副表面之间具有微小的密封间隙,用于产生局部流阻和减小流通通道,其形似连通相邻鱼道单元的缝隙流道。
在研究过程中,对密封结构内压力场、速度场及热力学效应展开深度分析。通过数值模拟与实验测量相结合,揭示压力、流速变化规律,以及能量转化和耗散机制,为密封结构优化提供多方面理论依据。
这里具体以流速分析为例,当倾斜角β≤90°时,齿顶间隙处可见明显的流束收缩现象和齿顶漩涡区,导致主流实际流通面积减小,如β=25°和90°的弧边仿鱼道密封齿顶漩涡最明显,范围最大,导致间隙主流通道宽度最窄,分别为0.46h和0.69h。不过弧边和直边仿鱼道迷宫密封齿顶漩涡区的尺寸和强度随齿形倾斜角的增大而迅速减小,而当β=135°时则无明显的齿顶漩涡区,间隙主流通道宽度最宽,为0.95h。因此,从图14的齿顶间隙气体流速来看,沿着泄漏方向的齿顶气流平均流速逐渐升高,且β=25°的弧边仿鱼道密封齿顶流速显著更低,而β=90°的直边仿鱼道密封齿顶流速最大。
经过不懈探索,项目取得了丰硕的创新成果。在结构设计上,仿鱼道齿形设计使蒸汽流动路径复杂,大大降低泄漏率;交错倾斜齿结构逐渐增强能量耗散,提升系统稳定性。针对传统迷宫密封拆装难题,开发集装式双面交错装配结构,简化安装流程,缩短维修时间。此外,柔性自适应结构可根据工况自动调整密封性能。在测试技术方面,平板零速试验和柱面带速试验为密封优化提供了精准数据。
这些创新成果应用价值显著。以 600MW 亚临界机组汽轮机为例,采用该技术后,每年可减少约 6.265 万吨二氧化碳排放,节约煤炭资源 2.5 万吨,创造经济效益达 2063.25 万元。该技术未来有望在石油化学工业、核电、航空航天等行业大范围的应用,推动工业设施绿色升级。
这一创新研究凭借巧妙的设计思路、扎实的研究方法和显著的应用成果,为工业绿色发展注入了新活力,有望引领迷宫密封技术开启新的篇章,助力工业在节能减排的道路上大步前行。（作者:浙江工业大学 俞振涛）
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