（化工过程机械专业论文）新型厚壁铝蜂窝密封结构设计及封严特性研究.pdf

摘要 新型厚壁铝蜂窝密封结构设计及封严特性研究 摘要 蜂窝密封作为一种高效的非接触式密封，不但具有防泄漏、去湿等功 能，还能有效抑制密封气流激振，然而传统钢蜂窝密封与转子碰磨时容易 产生火花，不能应用在处理易燃易爆介质的机器中。新型铝蜂窝密封因质 软，与转子碰磨时能量主要消耗在金属形变上，且很少有微粒脱落，因此 能够有效避免火花问题。出于强度考虑，铝蜂窝密封的结构需重新设计， 而结构变化将会导致封严特性相应地改变。本文利用数值方法，针对铝蜂 窝密封结构设计及封严特性研究开展了如下主要工作： ( 1 ) 根据机械设计手册，运用a n s y s 软件设计了铝蜂窝密封的最小壁 厚。结果表明，铝蜂窝密封的壁厚应不小于0 5 m m ，以获得足够的结构强 度来承受密封压力载荷。 ( 2 ) 运用c f x 软件研究了壁厚单独变化，以及壁厚、蜂窝对边距、蜂 窝深度三者联合变化对铝蜂窝密封封严特性的影响，并从密封压力降的角 度分析了由上述参数的变化导致其泄漏量改变的机理。结果表明，铝蜂窝 密封的压力降随着壁厚的增加而减小，这导致其泄漏量随着壁厚的增加而 增大；为了使泄漏量趋于最小，对应于不同的壁厚，铝蜂窝密封应具有不 同的蜂窝深度与蜂窝对边距的最优比值。 ( 3 ) 研究了铝蜂窝密封的泄漏量分别随密封间隙、蜂窝排列方向、高 低蜂窝结构和密封长度的变化规律。结果表明，铝蜂窝密封的泄漏量随密 北京化工大学硕士学位论文 封间隙的减小而降低，二者基本成线性关系；和蜂窝的传统排列方向相比， 蜂窝旋转9 0 。后的排列方向会小幅降低铝蜂窝密封的泄漏量，但这种影 响随着蜂窝对边距的增大而弱化；高低蜂窝结构和等深度蜂窝结构相比， 并没有因其结构特点明显增强铝蜂窝密封的密封性能；铝蜂窝密封的泄漏 量随着密封长度的增大基本成线性降低，当密封长度较大时，由此引起的 泄漏量减小趋势减缓。 关键词：铝蜂窝密封，壁厚，泄漏量，压力降，数值计算，结构参数 i l r e s e a r c ho ns t r u c t u r ed e s i na n ds e a l i n g p e r f o r m a n c eo fn e ws t y l et h i c k 元f 让l a l u m i n u mh o n e y co m bs e a l s a b s t r a c t h o n e y c o m bs e a l si sak i n do fh i g he f f i c i e n tn o n c o n t a c ts e a l ，w h i c hw i t h l e a k a g ed e c l i n e ，w a t e rr e m o v i n ga n ds e a lf l o we x c i t i n gv i b r a t i o nr e d u c i n g f u n c t i o n s h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a ls t e e lh o n e y c o m bs e a l sc a l l tb eu s e di n m a c h i n e r i e sw i t hi n f l a m m a b l ea n de x p l o s i v em e d i u m ，b e c a u s eo ft h ec o l l i s i o n s p a r k sb e t w e e nr o t o ra n ds e a l s t h a n k st ot h es o f tm a t e r i a l ，e n e r g yi sm a i n l y e x h a u s t e db ym e t a ld e f o r m a t i o na n dt h e r ea r ef e wm e t a lf r a g m e n t sw h e nr o t o r c o l l i d ew i t ha l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l s ，s ot h i sn e ws e a l si saf a v o r a b l e s o l u t i o nt os p a r k sp r o b l e m t h es t r u c t u r eo fa l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l sn e e d s t ob er e d e s i g n e di nc o n s i d e r a t i o no fs t r e n g t hr e q u i r e m e n t ，m e a n w h i l e ，t h e s e a l i n gp e r f o r m a n c eo f i tw o u l dc h a n g ec o r r e s p o n d i n g l y t h i sp a p e rf i n i s h e d t h ef o l l o w i n gt a s k sw i t hn u m e r i c a lm e t h o d sf r o mt h ea s p e c t so fa l u m i n u m h o n e y c o m bs e a l ss t r u c t u r ea n ds e a l i n gp e r f o r m a n c e ( 1 ) t h em i n i m u mw a l lt h i c k n e s so fa l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l sw a s d e t e r m i n e db y u s i n ga n s y s s 0 1 a r ea c c o r d i n gt om a c h i n ed e s i g nh a n d b o o k r e s u l ts h o w st h a tt h ew a l lt h i c k n e s ss h o u l dn o tb el e s st h a n0 5 m mi no r d e rt o g e te n o u g hs t r u c t u r a ls t r e n g t ht or e s i s ts e a l i n gp r e s s u r e i i i 北京化工大学硕士学位论文 ( 2 ) t h ec f x s o f t w a r ew a su s e dt os t u d yh o wt h es i n g l ec h a n g eo fw a l l t h i c k n e s sa n dh o wt h ej o i n tc h a n g eo fw a l lt h i c k n e s s ，h o n e y c o m bo p p o s i t e e d g e sd i s t a n c ea n dh o n e y c o m bd e p t hi n f l u e n c e di t ss e a l i n gp e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，a n a l y s i sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs e a l i n gp r e s s u r ed r o pe x p l a i n e d w h yt h ed i f f e r e n c eo ft h o s ep a r a m e t e r sa b o v ew o u l dc a u s et h ec h a n g i n go f a l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l s l e a k a g e r e s u l t ss h o wt h a tt h el e a k a g eo f a l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l si n c r e a s ew i t hw a l lt h i c k n e s si n c r e a s i n g ，s i n c ei t s p r e s s u r ed r o pd e c r e a s ew i t hi t ；d i f f e r e n to p t i m a lr a t i o so fh o n e y c o m bd e p t h a n dh o n e y c o m bo p p o s i t ee d g e sd i s t a n c ea r es u i t a b l ef o r t h ea l u m i n u m h o n e y c o m bs e a l sw i t hd i f f e r e n tw a l lt h i c k n e s s e s ，a i m i n ga tr e d u c i n gt h e i r l e a k a g et om i n i m u m ( 3 ) h o wt h el e a k a g eo fa l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l sv a r i e sw i t hs e a l c l e a r a n c e ，h o n e y c o m bc e l l sa r r a n g e m e n td i r e c t i o n ，h i g h l o wh o n e y c o m bc e l l s s t r u c t u r ea n ds e a ll e n g t hw e r er e s e a r c h e ds e p a r a t e l y r e s u l t ss h o wt h a tt h e l e a k a g eh a saa l m o s tl i n e a rd e c r e a s ew i t ht h ed e c l i n eo fs e a l i n gc l e a r a n c e ；t h e h o n e y c o m bc e l l sa r r a n g e m e n td i r e c t i o na f t e rc e l l sr o t a t e9 0d e g r e ec o m p a r i n g t og e n e r a lc o n d i t i o nm a k et h el e a k a g ed e c r e a s es l i g h t l y , b u tt h i si n f l u e n c e w e a k e n sw i t ht h eh o n e y c o m bo p p o s i t ee d g e sd i s t a n c ei n c r e a s i n g ；t h es e a l i n g p e r f o r m a n c ei sn o to b v i o u s l ye n h a n c e db yh i g h - l o wh o n e y c o m bc e l l ss t r u c t u r e ， c o m p a r e dw i t hc o n s t a n td e p t hc o n d i t i o n ；t h el e a k a g em i n i s hl i n e a r l yw i t h s e a l i n gl e n g t hi n c r e a s i n g ，a n dt h i se f f e c td e c r e a s e sw h e ns e a l i n gl e n g t hi sq u i t e l o n ga l r e a d y i v k e yw o r d s ：a l u m i n u mh o n e y c o m bs e a l s ，w a l l t h i c k n e s s ，l e a k a g e ， p r e s s u r ed r o p ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r s v 符号说明 符号说明 极限强度，m p a 屈服极限，m p a 屈服强度，m p a 强度极限，a 安全系数 密封长度，n l l t l 密封宽度，m m 密封间隙，m m 蜂窝对边距，n 瑚 蜂窝深度，m m 壁厚，衄 入口压力，m p a 出口压力，p a 入口流量，g s - 1 吒栉形c s 日r 竹巴c 5 j 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：! 丝：! ：堑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期：竺丝尘二笪 日期：一砷_ f 7 谚 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源、研究背景和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 项目) “大型离心压缩机密封气流激 振故障预测和自愈合调控技术研究”( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 4 2 2 ) 。 1 12 研究目的和意义 随着转速和介质压力的升高，转子柔性的增加和密封间隙的减小，使得叶轮机械 对密封系统的要求越来越高【l l 。先进的转子和静于间的动密封技术可显著提高叶轮机 械的工作效率和可靠性，以汽轮机为例，其漏气损失约占其效率损失的2 2 ，采用先 进的密封装置可大大减小泄漏损失，显著改善转子运行的稳定性【2 】。 叶轮机械应用的主要密封装置包括迷宫密封、刷式密封、蜂窝密封，以及较为前 沿的指尖式密封o ) 和叶片式密封1 4 1 。 迷宫密封( 如图1 - l 所示) 是叶轮机械中照常用的传统非接触式密封，通常它具 有商低齿配合、齿与光轴配合两种形式，其密封机理是通过多次节流膨胀产生阻尼效 应降低泄漏流压力，减少介质沿轴向泄漏。但由于其齿间存在环向腔室，环向流动 大大减小了轴向湍流降速效果，因此泄漏量较大。同时，由于齿易倒伏、易磨损，导 致由迷宫密封引起的转子磨损和转子振幅过大现象时有发生口】。 图l 一1 迷宫密封烈片 f i g l - 1p h o t oo f t h el a 岫ms 口1 s 北京化i 大学硕十学位论文 刷式密封( 如图1 - 2 所示) 是由耐高温合金刷丝和背板通过先进的熔焊技术加工 而成，主要应用于航空发动机、燃气轮机和汽轮机轴封。刷式密封是接触式密封，密 封效果好，但对轴的表面有特殊要求。利式密封的泄漏量是迷宫密封的1 0 2 0 使得叶轮机械的泄流损失大幅下降，并改善了转子的稳定性。其主要部件刷丝是由直 径为o0 5 - - 00 7 m m 的细金属丝按一定方向高密度排列组成的。刷丝的自由端与轴表面 接触，和刷丝接触的轴表面一般经过淬硬热处理或喷涂一层耐磨材料，以减少轴的磨 损，目前刷式密封可以承受的转子线速度已超过3 0 5 m s ，运行温度可到达6 9 0 c 睁”。 图1 五刷式密封照片【蝴 f i 9 1 2p h o t o o f t h c b r u s hs “一】 蜂窝密封( 如图1 - 3 所示) 是近年来叶轮机械中使用的一种先进的可耗磨非接触 式密封，由耐高温合盒制蜂窝壁与背板组成，二者通过高温真空钎焊连接，主要应用 于航空发动机、燃气轮机、汽轮机和其它叶轮机械的轴封和叶顶密封。通常蜂窝密封 由两个半圆组成，在直径较小时也可为一个整环。大多数情况下，蜂窝密封安装在静 止部件上，如缸体、静叶和隔板套上，主要结构形式为蜂窝- 光轴配合以及蜂窝- 梳齿 配合两种。蜂窝密封质软，因此在与转子的碰磨中能很好地保护转子，同时由于密封 间隙小且阻尼耗散效果明显，其泄漏量远小于传统迷宫密封的泄漏量，且对抑制转子 振动有积极的效果。可以说，蜂窝密封很好地避免了迷宫密封的弊端，又同时具备迷 宫密封和刷式密封的优点，因此具有良好的推广应用前景例。 目前蜂窝密封一般由镍基台金制成，镍基合金具有易成型、抗腐蚀能力强、焊接 性能优异、结构强度高且材质软等特点，由其制成韵蜂窝密封称为钢蜂窝密封。钢蜂 窝密封虽然已广泛应用，但其与转子发生碰磨时容易产生摩擦火花，因此不能应用在 处理易燃易爆介质的叶轮机械中，例如：天然气压缩机、富气压缩机、制氢压缩机等 均无法使用钢蜂窝密封。 第一章绪论 1 2 蜂窝密封及其相关领域的研究现状 1 2 1 基础理论方面研究概述 在蜂窝密封及其相关领域的基础理论方面，国内外学者开展了包括密封机理分 析、动力特性计算和密封间隙流体激振细观评价等广泛研究。 c b i l d s 、h a l e 等采用实验方法测量了蜂窝密封的泄漏量与动力特性系数，并与类 似工况下的迷宫密封和光滑密封进行了对比，结果表明，蜂窝密封的泄漏量更小，提 供的阻尼效果更大】。 北京化工大学硕士学位论文 s a t o r uk a n e k o 研究了蜂窝密封的静态和动态特性，通过对实验数据的对比说明了 蜂窝密封泄漏量小、交叉刚度小、主阻尼大，最终体现为有效阻尼大【1 2 】。近年来，s o t o 、 w c a t h o r w a x 和s p r o w l 也通过实验方法研究了蜂窝密封的动力特性，发现蜂窝密封能 够降低转子的振动水平【1 3 1 5 】。 n e l s o n 和c h i l d s 应用单控制体模型分析气流的受力状况，提出了倾角型蜂窝密封 动力特性系数的计算方法【临1 7 】。 k l e y n h a n s 和c h i l d s 提出了两控制体等温b f ( b u l kf l o w ) 模型，这一方法的优 点是计算速度快和分析精度高，但由于该模型忽略了介质在密封内的温度变化，因此 与实际的流动情况不符【1 8 9 1 。针对该方法的不足，c h i l d s 和s h i n 通过增加能量方程， 引入对介质温升的考虑，建立了理想气体和实际工质的b f 模型，并通过改进方法计 算了某甲烷压缩机密封的动力特性刚。 张强等在n e l s o n 、c h i l d s 和k l e y n h a n s 的研究基础上，提出了一种计算直通型环 形蜂窝密封动力特性系数的方法。该方法依托于单控制体模型，通过在控制方程中引 入扰动变量得到各阶方程，并采用拉氏变换、泰勒级数展开等数学手段简化方程，最 终由压力分布表达式推导出动力特性系数【2 i 】。 晏鑫、李军等基于两控制容积等温b f 模型，通过增加能量方程和理想气体状态 方程，建立了理想气体b f 方法的数学模型并以此为依据发展了相关计算程序，通过 与实验数据及等温b f 模型计算结果的对比，验证了该方法用于孔型密封动力特性预 测的可靠性，并采用该方法计算了在不同进口预旋、密封间隙和孔深时孔型密封转子 的动力特性系数，计算结果与实验值吻合良好【2 2 2 3 】。 李晨曦、何立东基于蜂窝密封动力特性的相关理论，创新性地采用商用c f d 软 件f l u e n t 依次计算出两种蜂窝密封结构的主刚度、交叉刚度和主阻尼，并与相关实验 数据和解析计算结果相比较，结果表明运用现代计算流体力学方法比原有的解析计算 方法更准确，为蜂窝密封动力特性分析和结构优化设计提供一种有效的分析方法，保 证这一方法精度要求的要点在于分析过程中的模型简化、湍流模型选择、网格划分以 及边界条件设置等关键步骤的正确操作【2 4 1 。 何立东、高金吉等从转子与密封腔流体的相互耦合作用出发，建立了描述转子密 封气流激振的三维转子密封流固耦合模型，通过数值求解密封流场的非线性气动力， 揭示了气流激振的非线性本质，认为气流激振是密封间隙中的非定常流与转子相互作 用的结果，并根据气流激振产生的机理提出了两条主要防治途径，一是提高转子的临 界转速，特别是第一阶临界转速，二是降低密封腔流体激振频率，可采用蜂窝密封、 反旋流等技术实现【2 5 2 7 】。 李金波、沈伟等采用有限元软件建立了转子离散化简化模型，研究了主刚度系数、 交叉刚度系数、主阻尼系数以及交叉阻尼系数对转子平稳运行的影响。研究发现，交 叉刚度系数和主阻尼系数对转子振动的影响最大，交叉刚度系数引起转子失稳，而主 4 第一章绪论 阻尼系数使转子趋于稳定，只有当转子的转速达到某个特定值，且交叉刚度系数的影 响大于主阻尼系数对转子的影响时，转子才会发生失稳【凋。 何立东、叶小强等针对容积法、控制体法和求解雷诺平均n - s 方程等传统密封气 流激振研究方法与实际情况存在很大偏差的缺点，提出利用细观力学的思想，研究了 透平叶栅和转子叶尖顶部间隙泄漏的流动特性，以及压气机叶栅和转子叶尖间隙泄漏 的流动特性，分析了叶尖密封流场的细观特性对叶轮机械性能的影响。研究认为，泄 漏涡、激波和二次流等密封间隙区域的细观特性之间的相互作用是影响泄漏量和转子 稳定性的主要因素【2 9 】。 1 2 2 实验及相关数值研究概述 在实验和数值模拟方面，学者们主要开展了以蜂窝密封封严特性探究、蜂窝密封 流场分析、蜂窝密封抑制叶片振动和蜂窝密封系统c f d 模拟等为主工作。 何立东、王旭等利用转子密封实验台研究了蜂窝结构尺寸、转子转速及密封间隙、 转子与静子的组合形式等因素对蜂窝密封封严特性的影响。结果表明：蜂窝对边距为 | 6 m m 的蜂窝密封在实验条件下泄漏量最小：蜂窝深度与蜂窝对边距的比值达到某特 定值时，封严效果最佳，比值过大或过小，泄漏量都将增大；转子转速对蜂窝密封的 密封性能影响很小；密封间隙越小蜂窝密封的漏气量越小，但二者不成比例关系；蜂 窝密封和梳齿轮盘组合的密封效果较好【3 2 1 。 叶小强、霍耿磊等借助电阻丝加热润滑油产生可视烟线的方法，显示了蜂窝腔中 气体的流动情况，揭示了蜂窝腔中旋涡的结构特点，即气体在经过密封间隙时，一部 分气体会进入蜂窝腔内并形成旋涡，旋涡体积的大小与入口压力、蜂窝结构尺寸、密 封间隙大小等因素有关，特别的，当密封间隙减小时，旋涡的体积增大，说明能耗效 果越明显。同时，他们定量地研究了蜂窝深度与蜂窝对边距的比值对泄漏量的影响， 发现当比值为0 5 2 时，封严效果最佳【3 3 1 。 何立东、夏松波等实验研究了透平机械密封间隙气流脉动的动态特性，利用频谱 分析等手段，揭示了蜂窝密封减振的机理。实验表明：迷宫密封气流激振的本质是密 封间隙气体脉动流场与转子之间的流固耦合作用，蜂窝密封具有正六边形的结构且内 表面粗糙，加速了气体的扰动，破坏了密封间隙气体脉动的原有频率，因此达到了减 小密封气流激振的目的；在各种密封结构中，蜂窝密封与带有梳齿结构的转子配合， 其减振效果最好【3 6 】。 何立东、霍耿磊等研究了蜂窝密封抑制叶轮机械叶尖密封气流激振的性能，并与 光滑密封进行对比，结果表明：蜂窝密封较光滑密封最高可降低叶片振幅3 0 ，叶片 振幅随密封间隙的增大而减小。同时，他们采用烟线法绘制了叶尖密封尾流场的速度 分布云图，发现蜂窝密封能降低密封腔内流体的流速，减轻密封流体对叶片的冲击， 5 北京化工大学硕士学位论文 从而达到减小叶片振动的效果口7 】。 张明、何立东等在叶轮机械叶片顶部开设带角度的通孔，通过喷射或抽取气流来 研究上述气动方法抑制叶顶密封气流激振的效果。实验表明：在各方向上，叶顶抽取 气流都能有效地降低叶片的振动，且叶冠宽度越大，减振效果越明显；在一定的作用 角度下，叶顶喷射气流能够显著减小叶片的振动，且叶片的振动量随喷射气流压力的 增大而减小，但以其它角度施加喷射气流时，反而加剧叶片振动【3 8 】。 孙永强、何立东在吸气减振的基础上，设计开发了一种叶片闭环可控吸气减振系 统，该系统以单片机为中心，能够实时监测叶片的振动情况，一旦振动值超标就会自 动启动电磁阀对叶顶实施吸气。在随后的实验中发现：该系统能有效降低叶片振动， 最高可降幅1 6 ，且与蜂窝密封配合使用时效果更佳。这一控制系统的出现，为叶顶 密封气流激振的主动控制方法提供了新思路【3 9 1 。 何立东利用m a t l a b 中的动态仿真工具，对反旋流法抑制密封流体激振和转子 不平衡相应进行了数值模拟，并同时开展了转子振动反旋流主动控制实验。数值结果 与实验数据相符较好，研究表明：当转子通过临界转速时，适当的反旋流可以有效地 抑制由于不平衡引起的振动；反旋流的流量和流速应根据转子的转速和结构等因素综 合确定，不恰当的反旋流反而会导致转子失稳；当转子柔性较大时，应注意降低密封 腔内流体的周向速度【删。 李金波等采用a n s y s c f x 软件从能量耗散的角度，通过焓值和温度的变化来比 较蜂窝密封与梳齿密封的性能。研究发现：在相同的入口条件下，气体经过蜂窝密封 后的焓降与温升相比于经过梳齿密封后更大，这说明蜂窝密封能更有效地耗散气体的 压力能，并将其转化为内能；相比于其它结构参数的组合，当蜂窝对边距为1 6 m m 、 蜂窝深度与蜂窝对边距的比值为0 5 和1 时，泄漏量更低【4 l 】。 李军、丰镇平等通过数值求解n s 方程的方法对蜂窝气封和迷宫式气封的流动特 性进行了研究。数值结果表明：蜂窝深度与蜂窝对边距的比值约为1 时，密封效果最 佳；迷宫式气封的泄漏量随齿距地增大而增加；蜂窝气封的特殊结构和薄壁能将泄漏 流分割成小涡流，使流体动能更有效地转化为内能，从而减小泄漏量【4 2 】。 岳国强、高杰等基于c f d 方法，分别对蜂窝、梳齿和梳齿式蜂窝密封的流动特 性进行了分析，并从气动角度揭示了梳齿式蜂窝密封的封严机理。研究表明：在相同 的入口压力下，梳齿式蜂窝密封的封严特性明显优于其它二者，蜂窝密封次之；气体 从蜂窝芯格中反弹后对后续泄漏流的阻碍作用，以及由于转子高速旋转在密封间隙处 形成的气膜，二者的联合作用构成了梳齿式蜂窝密封的封严效果【4 3 1 。 晏鑫、李军等采用数值方法，计算了不同操作条件下燃气轮机用光滑面迷宫密封 和蜂窝面迷宫密封的总温升及间隙热系数，计算结果与实验结果很接近。分析表明： 由于蜂窝的阻尼作用，在相同操作条件下，蜂窝面迷宫密封的总温升和间隙热系数均 大于光滑面迷宫密封；两种密封形式的温升和间隙热系数均随着流量增大而减小，随 6 第一章绪论 着转速升高而增大m 。 车建业、何立东等运用通用有限元软件a n s y s ，分析了铝蜂窝芯格特征单元在 承受共面载荷时的应力强度水平，计算了相应的弹性模量，并在拉升试验机上进行了 对比实验。数值计算与实验结果吻合较好，得出了定性的结论：在同样的密封面积上， 适当的芯格尺寸和芯格深度有利于降低铝蜂窝芯格的应力强度。该研究为合理设计铝 蜂窝密封的结构参数提供了借鉴【4 5 】。 1 2 3 实际工程应用情况概述 蜂窝密封最初是由国外航空业为应对高温高压等苛刻密封条件而开发的一种先 进密封技术，最早应用于美国航天飞机主引擎的高压氧气涡轮泵中，以替代原有的阶 梯状梳齿密封，消除了涡轮泵转子长期存在的亚同步振动闱。蜂窝密封具有质软不伤 转子、能有效抑制轴振、泄漏量低、有效去湿等特点【4 7 1 ，随着蜂窝密封技术的发展， 其应用领域也不断扩大，目前主要集中在汽轮机、燃气轮机、烟气轮机等中大型叶轮 机械中【4 舢s o l ，并开始与合成射流【5 l 】、反旋流等主动控制技术相结合。 国电九江电厂二期工程2 台2 0 0 m w 汽轮机组由于设计年代久远且运行时间较长， 出现了原有梳齿密封间隙过大导致轴封漏汽量大以及润滑油含水和轴振超标的问题。 通过技术论证，对机组原汽封的低齿部分进行了蜂窝密封改造，改造后轴封漏汽量明 显减小，润滑油含水量降低，很大程度上提高了机组的运行安全和经济效益【5 2 1 。该厂 的3 号2 1 0 m w 汽轮机组同样存在类似问题，主要表现为高中压缸轴封漏汽、低压缸 前后两侧轴封内漏等，技术人员对原机组的部分高压侧前汽封、部分高压侧后汽封以 及全部低压缸汽封进行了蜂窝密封改造，很好地解决了漏汽现象和因漏汽对油质和真 空度的影响垆引。 大唐国际北京高井热电厂在进行机组流通部分改造时，将l 、2 号机组的低压前 后轴封、低压隔板汽封、低压次末级、次次末级复环汽封由原有的梳齿密封替换为蜂 窝汽封，改造后机组的真空度有了明显提高，润滑油含水现象也基本消除【蚓。无独有 偶，华能北京高井热电厂在改造中低压流通部分时，同样将1 、2 号机组的低压缸前 后轴封、隔板汽封、末2 级和末3 级叶顶汽封全部采用了蜂窝式汽封，解决了前后 轴封漏汽掉真空的问题，增强了叶顶汽封的去湿效果【5 5 】。 中石化广州分公司制氢余热发电机组2 3 m w 汽轮机因进汽温度偏低，导致机组某 几级叶片水蚀现象严重，针对该工况和机组原密封特点，技术人员对末2 级和末3 级 叶顶密封、高压侧部分轴端密封进行了蜂窝密封改造，改造后低压缸蒸汽湿度正常且 轴端密封无泄漏【5 6 】。近年来，该公司与北京化工大学合作，对数台小功率汽轮机组进 行了注气系统高、低压管路分离改造和轴端蜂窝密封改造，设计了包括高低齿蜂窝密 封在内的多项新型蜂窝密封结构，取得了良好的应用效果和可观的经济效益吲。 7 北京化工大学硕士学位论文 中石油乌鲁木齐分公司某合成气压缩机驱动汽轮机组自运行以来，轴端迷宫密封 漏汽量一直较大，造成仪表联锁误动作而停车，甚至发生高温蒸汽管路着火等重大事 故，在分析原因后将机组两轴端的全部迷宫密封均改造为蜂窝密封，改造后运行一年 以来，机组外漏蒸汽现象完全消除，上述附加事故也从未再发生【弱】。中石油兰州分公 司的c t - 4 0 1 机组由于轴端汽封大量泄漏，导致附近的轴承箱内含水，润滑系统一直 带水运行对机组的安全运行构成了威胁，技术人员在保持原汽封体和退让弹簧不变的 情况下，将轴端汽封替换成蜂窝密封，从本质上解决了机组轴端泄漏严重和润滑油中 大量含水的问题【5 9 】。 银川热电厂两台抽气供热机组因前轴封漏汽量大，于大修时更换了汽封片，重新 运行后并未见改善，该厂根据原轴封与工况特点，将前轴封全部9 道中的前4 道和第 6 道密封替换为蜂窝密封，改造后低压加热器侧压力降低，机组前轴振水平合格，前 轴封泄漏量大幅减小唧】。大庆石化热电厂某汽轮发电机组由于轴系常发生低频自激振 动，不得不将轴端梳齿密封间隙调大，导致漏汽量大幅增大，轴承箱内润滑油因温度 过高而变质，为同时减小轴系振动和轴封泄漏量，该电厂采用保持机组原汽封高齿不 变，低齿全部改造为蜂窝带的方法，成功降低了轴承箱温度，汽封泄漏大幅减少，手 感机组无明显振动【6 1 】。 山西晋城煤矸电厂的3 台1 2 m w 汽轮发电机组由于轴端梳齿密封泄漏大，进行了 密封改造，将前汽封的1 0 圈、后汽封的4 圈更换为蜂窝密封，改造后漏汽量减小， 机组内效率提高2 5 ，且润滑油油质合格【6 2 】。大唐长春第二热电厂2 台2 0 0 m w 汽轮 发电机组由于低压缸轴封和凹窝处泄漏，致使真空系统严密性差，技术人员选用了4 环蜂窝式汽封代替低压缸原来前后轴封套中的中间2 环梳齿式密封，并采用西门子密 封胶条填充低压缸凹窝处，上述措施使真空系统的严密性大大提高，每年节约购煤资 金6 0 余万元【6 3 】。福建华电永安发电有限公司对n 1 0 0 9 0 5 3 5 型汽轮机的密封系统进 行了改造，将原汽封环、高低压缸汽封、高压隔板汽封全部更换为铁素体蜂窝汽封， 改造后轴封无明显漏汽现象，润滑油含水量合格，各轴承瓦振达标畔】。 浙江镇海发电有限责任公司的一台功率为1 0 0 m w 的m s 9 0 0 1 e 型燃气轮机在大 修期间，进行了透平密封改造，主要是在原有迷宫式密封基础上增加蜂窝密封和刷式 密封，涉及蜂窝密封改造的是在二、三级护环上安装蜂窝密封，蜂窝密封不仅允许二、 三级动叶在瞬间热应力变化下与护环短暂接触，还能减小叶顶的密封配合间隙，以减 小通过二、三级动叶叶顶的燃气泄漏量。改造完成后，机组出力提高约4 5 1 ，热耗 降低约2 7 1 ，达到了预期效果【6 5 1 。g e 公司研究表明，由于燃气轮机内部零件受高 温高压等复杂因素作用，转子和静子间的流动空间尺寸在运行时会随着工况的不同发 生很大变化，由此引起的燃气泄漏是降低燃气轮机可靠性和经济性的重要因素，而蜂 窝密封能很好地解决这一问题，且阶梯状蜂窝密封的性能优于直通状蜂窝密封，目前 包括f r a m e7 f a 型在内的多种g e 产燃气轮机均安装有蜂窝密封【6 6 1 。 8 第一章绪论 兰州石化公司机械厂针对烟气轮机在运行过程中存在的问题，经过多年研究开发 出了一种带有注气和抽气系统的蜂窝型干气密封，该结构的气封部分采用蜂窝密封， 并设有油封，防止烟气、密封气体和润滑油之间的窜动该型密封已成功应用在多台 烟气轮机中，解决了烟气泄漏、润滑油污染等问题【6 7 】。 中石化武汉分公司与兰州炼油化工机械厂合作对y l 型双级烟气轮机进行了结构 改造，其中涉及蜂窝密封的有三处：在一级静叶与一级轮盘之间用径向蜂窝密封代替 原梳齿密封，在一、二级轮盘级间密封处采用蜂窝密封，将二级静叶组件中的两道气 封片改为蜂窝密封。蜂窝密封和其它新技术在y l 型双级烟气轮机中的应用，不仅降 低了燃气泄漏量，而且解决了催化剂堆积、二次流冲蚀、二级静叶组件变形等多发问 题。目前，该改型结构已成功应用在燕山石化公司、沧州石化公司、齐鲁石化公司、 苏丹喀土穆炼油厂等国内外相关企业【醯石9 】。 山东华鲁恒升化工股份有限公司的空压机组增压机因气流激振，导致轴振过大、 带负荷试车被迫停止，该机组轴承均为五油楔可倾瓦，级间和段间密封均为迷宫密封。 技术人员根据机组振动原因和密封特点，将增压机一三段以及二三段之间的迷宫密封 均改为蜂窝密封，同时为了防止不锈钢材质的蜂窝带与高速转子碰磨时产生火花，对 配合轴表面的相应区域进行了镀镍处理。改造后，空压机组出口压力达到设计要求， 轴振水平达标，带负荷试车成功【7 0 1 。 中石化广州分公司的某国产2 3 0 0 k w 二级电机存在润滑油内漏浸泡绕组线圈现 象，严重威胁电机的安全运行。究其原因，是由于电机原油毡密封被磨损后，甩油环 在轴承箱内形成的油雾受散热风扇产生的负压作用被吸入转子内侧所致。为避免电机 原油毡密封补偿能力差的缺点，技术人员设计了一种由四瓣式接触密封环和蜂窝密封 组合而成的新型油封，并在二者之间通入氮气提高密封效果。改造后，油封运行稳定。 电机的润滑油内漏问题得到根本解决【7 l 】。 1 3 课题研究的主要工作 1 3 1 当前蜂窝密封技术研究局限性 目前，国内外学者主要通过实验分析、数值模拟、理论推导等方法对蜂窝密封的 动力特性、封严机理、内部流场特征以及结构参数对其性能的影响等进行了较为详尽 的研究，同时将蜂窝密封与传统密封形式进行对比，并介绍了蜂窝密封的应用情况。 然而，上述研究工作的对象主要为传统的钢蜂窝密封，对其它材质蜂窝密封的研究涉 及很少，由于蜂窝密封理论上仅依靠其结构实现阻尼密封效果，因此本文认为探索新 材质蜂窝密封是可行且必要的，它不仅将丰富发展蜂窝密封技术，而且能够突破传统 蜂窝密封技术的应用瓶颈，具有积极的指导意义。 9 北京化工大学硕士学位论文 1 3 2 本文主要研究工作 综合以上分析，本文的研究工作围绕新型铝蜂窝密封展开，涉及结构设计、封严 特性研究和加工制造三方面，主要内容有： 一、设计了满足强度要求的铝蜂窝密封的关键结构参数 运用a n s y s 软件，依照屈服破坏的最大切应力理论，设计了铝蜂窝密封的蜂窝 对边距、蜂窝深度以及最重要的壁厚参数，使得铝蜂窝密封结构满足实际密封压力载 荷下的强度要求。 二、研究了厚壁条件下各结构参数及其组合对铝蜂窝密封封严特性的影响 1 ) 建立了简化后的铝蜂窝密封物理模型，并通过试算验证了模型和数值方法的 合理性。 2 ) 分析了壁厚变化对铝蜂窝密封泄漏量的影响，并从密封压力降的角度分析了 由壁厚变化导致铝蜂窝密封泄漏量改变的机理。 3 ) 分析了壁厚、蜂窝对边距、蜂窝深度三者联合变化对铝蜂窝密封泄漏量的影 响，并从密封压力降的角度分析了三参数变化导致铝蜂窝密封泄漏量改变的机理。 4 ) 分析了密封间隙变化对铝蜂窝密封泄漏量的影响。 5 ) 分析了蜂窝排列方向对铝蜂窝密泄漏量的影响。 6 ) 分析了高低蜂窝结构对铝蜂窝密封泄漏量的影响。 7 ) 分析了密封长度对铝蜂窝密封泄漏量的影响。 三、研究了铝蜂窝密封的加工制造 1 ) 简述了铝蜂窝密封的加工方法，提出了目前工艺存在的优缺点。 2 ) 展示了成型后某规格铝蜂窝密封的实物样品 1 0 第二章铝蜂窝密封舶结构设计 21 引言 第二章铝蜂窝密封的结构设计 传统的钢蜂窝密封( 如图2 - i 所示) 通常是由镍基不锈钢制成的，厚度约为0l m m ， 其作为一种高效的非接触式密封，不但具有防泄漏、去湿等功能，还能有效地抑制密 封气流激振【7 2 7 w 。已经成功应用于汽轮机、燃气轮机、烟气轮机、大功率电机等中大 型设备之中。钢蜂窝密封虽然已经广泛应用，但其与转子发生碰磨时容易产生火花， 不能应用在处理易燃易爆介质的机器中，例如：天然气压缩机、富气压缩机、制氢压 缩机等均无法使用钢蜂窝密封。 针对钢蜂窝密封的上述问题，课题组开发了一种铝蜂窝密封( 如图2 - 2 所示) 。金 属铝质软，当铝蜂窝密封与转子发生碰撞磨擦时能依靠自身的形变吸收大部分能量， 且很少有微粒脱落，能够有效地避免火花问题并很好地保护转子。 图2 1 钢蜂窝密封照片 f i 蜉- 1p h o t o o f t h es t e e lh o n e y c o m bs 1 8 圈2 2 蜂窝密封照片 f i 9 2 2p h o t o o f t h ea l , _ l m i n u mh o n e y c o m bs e a i s 蜂窝密封的结构参数主要有密封长度、密封间隙、蜂窝对边距、蜂窝深度和蜂窝 北京化工大学硕士学位论文 壁厚，其中密封长度与密封间隙属于安装特性参数，应根据机组的密封工况、实际安 装环境等来决定，而蜂窝对边距、蜂窝深度和蜂窝壁厚则属于基础结构参数，一般钢 蜂窝密封取蜂窝对边距为3 2 r a m 或1 6 r a m ，蜂窝深度为3 m m ，壁厚为0 1 m m ，这些 参数是钢蜂窝密封长期应用以来的经验参数，综合考虑了结构强度、封严效果等多种 因素，加上材料的改变理论上并不影响蜂窝密封的密封性能，故对于铝蜂窝密封而言， 蜂窝对边距和蜂窝深度仍可参照钢蜂窝密封的上述经验数值，而铝蜂窝密封的壁厚则 由于铝的强度极限和屈服极限均比镍基不锈钢低，因此必须重新设计以满足强度要 求，这也使得在蜂窝对边距和蜂窝深度基本确定的前提下，确定蜂窝壁厚的大小成为 铝蜂窝密封结构设计的关键。 2 2 铝蜂窝密封壁厚的等强度设计 2 2 1 设计软件介绍【7 4 】 铝蜂窝密封壁厚的等强度设计采用大型通用有限元分析软件a n s y s ，使用 a n s y s 软件对产品性能进行仿真分析，可以发现产品问题，降低设计成本，缩短设 计周期，提高设计的成功率。 目前a n s y s 提供的分析类型包括结构静力分析、结构动力分析、结构屈曲分析、 电磁场分析、声场分析、压电分析和流体动力分析，同时a n s y s 允许在同一模型上 进行多种物理场的耦合计算，如热结构耦合、磁结构耦合以及电磁流体热耦合等， 典型的a n s y s 分析过程可分为以下三个步骤t l 、创建有限元模型 建立有限元模型的是整个a n s y s 分析的核心所在，需先指定作业名和分析标题， 然后使用p r e p 7 处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模型，并使用 所选单元对几何模型进行网格划分最终生成可供求解的有限元模型。值得注意的是， a n s y s 软件并没有为分析指定固定的系统单位，只要保证输入的所有数据都使用同 一单位制即可。 2 、施加载荷并求解 在有限元模型建立以后，可以运用s o l u t i o n 处理器定义分析类型和分析选项， 然后在模型的指定几何元素上施加不同类型的载荷，指定载荷步长并对有限元求解进 行初始化。 3 、检查分析结果 计算完成后，可以通过p o s t l 或p o s t 2 处理器查看结果。其中p o s t i 为通用后 处理器，用于查看整个模型或选定区域在某一时间步的计算结果；p o s t 2 6 为时间历 程后处理器，用于查看模型的特定点在所有时间步内的计算结果。 1 2 第二章铝蜂窝密封的结椅设计 2 2 2 壁厚的设计方法与有限元模型 铝蜂窝密封的壁厚设计最初是在等强度设计的思路下，综合考虑铝蜂窝密封在实 际使用过程中以及成型过程中的两种受力情况来进行的。 铝蜂窝密封在实际使用过程中受力情况的壁厚设计方法及相应的有限元模型 铝蜂窝密封在实际使用过程中，其高压侧承受很高的密封压力，若壁厚强度不足， 蜂窝结构就会发生倒伏。针对这一受力情况，建立高压侧单捧蜂窝密封模型( 如图2 - 3 所示) ，通过定义不同的材料属性来区分铝蜂窝密封和钢蜂窝密封，其中钢蜂窝密封 的壁厚为定值0l m m ，铝蜂窝密封的壁厚可调整，两者的蜂窝对边距为3 2 r a m ，蜂窝 深度为3 m m 。具体的设计方法为：首先在钢蜂窝密封模型的一侧施加均布压力载荷， 并在模型底端施加位移垒约束，此时蜂窝结构受压变