新型汽封型式及應(yīng)用探討

1、新型汽封型式及應(yīng)用探討一、汽封對(duì)汽輪機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要影響汽輪機(jī)出現(xiàn)一百多年來(lái)，其技術(shù)理論已日趨完善，在現(xiàn)有的汽輪機(jī)技術(shù)理論，制造工藝和應(yīng)用材料基礎(chǔ)上，大幅度提高汽輪機(jī)內(nèi)效率是不現(xiàn)實(shí)的，但是通過(guò)減小汽輪機(jī)汽封與轉(zhuǎn)子動(dòng)靜配合間隙達(dá)到減少漏汽的目的，是提高汽輪機(jī)運(yùn)行效率主要途徑，尤其現(xiàn)代大容量高參數(shù)的汽輪機(jī)，間隙漏汽對(duì)汽輪機(jī)效率的影響更大。以國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型MW300機(jī)組為例，高中壓間平衡環(huán)汽封實(shí)際運(yùn)行間隙均在0.8mm以上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，僅通過(guò)這部分汽封漏汽所造成的漏汽損失就使機(jī)組熱耗增加60kJ/kWh以上，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2克以上。因此減少汽封間隙漏汽對(duì)汽輪機(jī)效率的提高至關(guān)重要。但是，汽輪機(jī)是

2、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在減少通流間隙漏汽（即汽封漏汽）的同時(shí)又要兼顧到機(jī)組動(dòng)靜碰磨的安全性，盡管機(jī)組運(yùn)行中啟機(jī)不暢，甚至造成重大彎軸重大事故得原因可能是多方面的，但是結(jié)果所反映出來(lái)的根本原因是由于動(dòng)靜碰磨所造成的，事故映出來(lái)的是動(dòng)靜間隙的問(wèn)題。以MW200機(jī)組為例，80年代初期，彎軸現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，真對(duì)MW200機(jī)組的彎軸現(xiàn)象，90年原能源部下文要求電廠和將MW200機(jī)組前軸封部分汽封間隙調(diào)為11.2mm，以犧牲機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性來(lái)保證安全性。汽封兼顧著安全、經(jīng)濟(jì)的雙重責(zé)任，所以人們一直在探求新的汽封結(jié)構(gòu)型式，以解決既能夠大幅度提高密封性能、又能滿足機(jī)組安全運(yùn)行這一長(zhǎng)期困擾汽機(jī)專業(yè)人員的兩難問(wèn)題二、汽封密封型

3、式及原理旋轉(zhuǎn)機(jī)械所采用的密封形式均是被動(dòng)形式，可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式密封泄漏量最小，理論泄漏量為“0”， 應(yīng)是理想的密封形式。但是，由于汽輪機(jī)是在高溫高壓狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，運(yùn)行過(guò)程中要伴隨缸體熱梯度變形、啟停過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)增大進(jìn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磨擦等現(xiàn)象，均會(huì)使接觸式的密封體產(chǎn)生磨損，形成動(dòng)態(tài)間隙，碰磨是絕對(duì)的，不磨是相對(duì)的，因此，汽輪機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子與汽封是始終存有間隙的，即在汽輪機(jī)這種高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備上只存在有非接觸的密封形式，所謂的接觸式密封形式也只是相對(duì)于非接觸式密封而言，間隙相對(duì)較小而已。當(dāng)前汽輪機(jī)組均采用疏齒式結(jié)構(gòu)，如圖1a)。a)b)c) 圖1其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：a、

4、汽封背部加裝板簧，使汽封與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨時(shí)能產(chǎn)生退讓，當(dāng)碰磨消失后，汽封在板簧的作用下又回復(fù)到工作位置。b、汽封上排列許多具有一定間隙“T”的齒，這些齒與轉(zhuǎn)子表面存有一定的間隙“”，汽封齒與轉(zhuǎn)子形成多個(gè)環(huán)形孔口，每?jī)蓚€(gè)環(huán)形孔口間形成一個(gè)環(huán)形汽室“A”。蒸汽由高壓端（P1）汽室流向低壓端（P2）汽室。工作原理如下：當(dāng)蒸汽漏過(guò)汽封時(shí)，依次通過(guò)這些環(huán)形孔口和環(huán)形汽室。當(dāng)蒸汽通過(guò)環(huán)形孔口時(shí)，由于通流面積變小，蒸汽流速增大，壓力降低(如圖1b)。當(dāng)蒸汽進(jìn)入環(huán)形汽室A時(shí)，通流面積突然變大，流速降低，汽流轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生渦流，蒸汽流速近似降到零；當(dāng)壓力P不變，蒸汽原來(lái)具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能使焓值不變，蒸汽依次流過(guò)各時(shí)

5、汽室不斷膨脹，蒸汽密度不斷減小，比容逐漸增大。全部孔口兩側(cè)壓力差之和等于整段汽封所維持的總壓差。圖1c)是曲徑式汽封流動(dòng)過(guò)程焓熵圖。根據(jù)連續(xù)公式，任何一個(gè)孔口的汽流速度必然比上游孔口的汽流速度大，比下游孔口小。又根據(jù)噴嘴流動(dòng)的基本原理，孔口兩側(cè)的絕熱降和相應(yīng)的初壓背壓(Px-1/Px)之比也必定愈到下游愈增加，即(P0/P1)<(P1/P2)<(P2/P3)<。由于環(huán)形孔口都沒(méi)有斜切部分的收縮噴嘴，所以最后一個(gè)孔口的汽流速度在任何情況下也不會(huì)大于臨界速度，其漏汽流量相應(yīng)的不會(huì)大于臨界流量，任何其他孔口的汽流速度都永遠(yuǎn)小于當(dāng)?shù)匾羲佟D1b)中的曲線246稱為等流量曲線，或稱芬諾

6、曲線，每個(gè)漏汽量相對(duì)應(yīng)有1條芬諾曲線。 若汽封初壓和背壓不變，間隙也不變，但孔口的數(shù)目減少，則每個(gè)孔口都處于較大的壓差之下，最后的一個(gè)孔口汽流可能達(dá)到最大的臨界流量，從而使漏汽量增加。 若孔口數(shù)目和背壓不變，在某一個(gè)初壓P0下，最后一個(gè)孔口汽流速度達(dá)到背壓Px下的音速，這時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)臨界流量和芬諾線；若提高初壓到P01，則漏汽量就增加到另一個(gè)更大的臨界值。此時(shí)，雖然汽封背壓不變，但最后一個(gè)孔口的出口截面的壓力已升高到Pz1若環(huán)形汽室體積過(guò)小，蒸汽環(huán)形汽室不能充分膨脹，在汽封各孔口的汽流動(dòng)能未能在各汽封環(huán)室中全部轉(zhuǎn)化為熱能，而是保留一部分帶到各自下游的孔口，當(dāng)總壓力差和孔口數(shù)目及間隙都不變時(shí)，這段

7、汽封的實(shí)際漏汽量必將有所增加。根據(jù)上述原理，疏齒式汽封的密封機(jī)理為：通過(guò)蒸汽經(jīng)過(guò)“環(huán)形孔”和“環(huán)形汽室”反復(fù)節(jié)流膨脹過(guò)程，達(dá)到減少漏汽的目的。汽封間隙“”及“汽室”空間的大小，是汽封能否有效實(shí)現(xiàn)其性能的關(guān)鍵因素。三、汽輪機(jī)組采用新型汽封進(jìn)行改造的必要性當(dāng)前我國(guó)在役汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率普遍偏低，嚴(yán)重影響發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能降耗，有效提高汽輪機(jī)機(jī)組的效率是提高發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑之一。影響汽輪機(jī)效率的因素很多，如機(jī)械損傷、表面侵蝕、化學(xué)沉積、汽封漏汽等，其中，通流間隙大所造成的漏汽損失是重要原因之一，有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，由于通流部分間隙過(guò)大所造成的損失占機(jī)組通流效率損失的80%以上，見(jiàn)圖2）

8、?；瘜W(xué)沉積 9.1%表面侵蝕 3.9%機(jī)械損傷 1%汽封(含葉頂汽封)漏汽 82%圖2對(duì)于傳統(tǒng)形式的汽封，在機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程中，由于缸體、隔板、汽封體受熱不均勻?qū)е碌牡淖冃螘?huì)使汽封齒與轉(zhuǎn)子局部徑向間隙變小，引起碰磨，當(dāng)轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)加劇摩擦，從而造成汽封永久性磨損，導(dǎo)致間隙增大。眾多機(jī)組的檢修運(yùn)行實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。如福州電廠#1機(jī)組，見(jiàn)下表福州電廠#1機(jī)組1998年、2004年傳統(tǒng)汽封大修前后漏汽率變化機(jī) 組 型 號(hào)三菱重工TC2F-33.5時(shí) 間1998年2004年設(shè)計(jì)值 大修前大修后變化 與設(shè)計(jì)值差大修前大修后變化 與設(shè)計(jì)值差漏汽率1.936.24.7-1.50 2.77 6

9、.434.99-1.44 3.06注：漏汽率是指高壓進(jìn)汽平衡環(huán)至中壓缸漏汽占再熱蒸汽的比率該數(shù)據(jù)表明，通過(guò)大修機(jī)組漏汽率有所降低，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，又恢復(fù)到修前情況。所以，在汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)制造機(jī)檢修過(guò)程中采用新型汽封結(jié)構(gòu)、合理調(diào)整汽封間隙是解決機(jī)組兼顧安全性、經(jīng)濟(jì)性難題的重要途徑。四、新型汽封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用4.1、布萊登可調(diào)式汽封布萊登可調(diào)式汽封是1989年由原美國(guó)通用公司汽輪機(jī)專家布萊登先生提出設(shè)計(jì)思想并設(shè)計(jì)，目前美國(guó)通用公司、西屋公司、日本三菱、東芝等公司均已采用，國(guó)內(nèi)哈汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組、上汽超臨界60萬(wàn)等級(jí)機(jī)組在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用，自1995年首陽(yáng)山#2機(jī)組成功采用，十年來(lái)國(guó)內(nèi)已有近180

10、臺(tái)各類型、容量的機(jī)組采用了該技術(shù)，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，許多機(jī)組已經(jīng)歷專項(xiàng)試驗(yàn)和揭缸檢查，結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期效果，使機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性有效統(tǒng)一，并且技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果持久。其結(jié)構(gòu)如圖3圖3 圖4 圖5 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：布萊登汽封取消了傳統(tǒng)汽封背部的板式彈簧，取而代之在汽封端部加裝了4只螺旋彈簧，在汽封弧塊進(jìn)汽側(cè)銑出進(jìn)汽道。4.1.1、工作原理：自由狀態(tài)下，在彈簧力的作用下汽封弧塊是處于張開(kāi)狀態(tài)而遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子機(jī)組啟機(jī)時(shí)，隨著蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧塊背部的蒸汽壓力逐步增大（見(jiàn)圖4）當(dāng)這一壓力足以克服彈簧應(yīng)力、摩擦阻力等時(shí)，汽封弧塊開(kāi)始逐級(jí)關(guān)閉，直至處于工作狀態(tài)，并始終保持與轉(zhuǎn)子的最小間隙值運(yùn)

11、行（見(jiàn)圖5）停機(jī)時(shí)，隨蒸汽流量的減小，在彈簧應(yīng)力的作用下，汽封弧塊遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子，使汽封與轉(zhuǎn)子的徑向間隙達(dá)到最大值。我們知道，汽封與轉(zhuǎn)子的碰磨是在機(jī)組啟、停機(jī)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生的，對(duì)于布萊登汽封而言，而此時(shí)機(jī)組蒸汽流量小，汽封是處于張開(kāi)狀態(tài)，所以，布萊登汽封能夠有效的避免與轉(zhuǎn)子的碰磨。4.1.2、性能特點(diǎn)：4.1.2.1、安全性a)主動(dòng)安全：布萊登汽封的主動(dòng)安全性體現(xiàn)在機(jī)組啟停機(jī)過(guò)程中，汽封能夠主動(dòng)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子，避免與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生碰磨而使機(jī)組啟停變得十分順暢。b)被動(dòng)安全：主要體現(xiàn)在機(jī)組事故狀態(tài)下，能夠有效避免事故進(jìn)一步惡化。布萊登汽封是靠汽輪機(jī)缸體內(nèi)蒸汽壓力的作用而與轉(zhuǎn)子保持較小間隙運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組因突發(fā)事故，

12、引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)會(huì)立即跳閘，切斷本體通流供汽，汽缸壓力隨即降低，布萊登汽封失去蒸汽的關(guān)閉壓力，在彈簧應(yīng)力的作用下張開(kāi)，避免了與惰走轉(zhuǎn)子的碰磨，從而避免了彎軸、報(bào)死等重大惡性事故的發(fā)生。c)減少軸封漏汽，消除機(jī)組運(yùn)行安全隱患d)擬制轉(zhuǎn)子擺動(dòng)振幅，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性4.1.2.2、經(jīng)濟(jì)性：a)提高整機(jī)效率增加機(jī)組出力；b)減少機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)，降低啟動(dòng)成本c).縮短大修工期和無(wú)需更換汽封備品4.1.2. 3、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果持久4.2、蜂窩汽封蜂窩密封的產(chǎn)生是由于蜂窩結(jié)構(gòu)的剛性和材料的耐高溫、柔韌性而應(yīng)用在特定條件下，如：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、大型汽輪機(jī)低壓末級(jí)、次末級(jí)葉頂汽封（自由葉片）、以及對(duì)材料

13、有特殊要求的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)等。其結(jié)構(gòu)如圖6圖6其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在原傳統(tǒng)汽封的汽封齒部位采用蜂窩帶，如果機(jī)組原汽封為長(zhǎng)、短齒形式，則只將短齒部位采用蜂窩帶代替，背部仍采用板簧結(jié)構(gòu)。蜂窩材料（HastelloyX海斯特鎳合金）原創(chuàng)是美國(guó)，由于蜂窩結(jié)構(gòu)的剛性和材料的耐高溫、柔韌性而應(yīng)用在特定條件下，如：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、大型汽輪機(jī)低壓末級(jí)、次末級(jí)葉頂汽封（自由葉片）、以及對(duì)材料有特殊要求的燃機(jī)等。自80年代出現(xiàn)以來(lái)，世界尚無(wú)著名汽輪機(jī)制造商在大型火力發(fā)電汽輪機(jī)軸封上成功應(yīng)用的范例，如果蜂窩材料在大型汽輪機(jī)軸封上封嚴(yán)效果比傳統(tǒng)梳齒汽封更優(yōu)越，20多年來(lái)，有足夠的時(shí)間予以證明和推廣普及應(yīng)用。目前沒(méi)有完善的理論和實(shí)踐證

14、明在大型火力發(fā)電汽輪機(jī)軸封處，采用蜂窩密封比傳統(tǒng)梳齒密封封嚴(yán)效果更好根據(jù)理論分析及應(yīng)用實(shí)踐效果，蜂窩在低壓缸末級(jí)、次末級(jí)葉頂部位，利用其蜂窩表面積大、對(duì)水的吸附作用強(qiáng)的特點(diǎn)，防止動(dòng)葉的水侵蝕效果良好。但是對(duì)于在梳齒汽封中應(yīng)用蜂窩材料密封來(lái)說(shuō)，由于加裝蜂窩帶而取消了短齒，從而減小了蒸汽膨脹空間，使蒸汽從長(zhǎng)齒間隙噴泄后直接進(jìn)入到凸臺(tái)間隙，由于泄漏蒸汽的動(dòng)能沒(méi)有在長(zhǎng)齒和凸臺(tái)之間有充足的空間充分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，從而使凸臺(tái)間隙漏汽速度增加，增加了蒸汽泄露量。因此，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子為“長(zhǎng)城臺(tái)”結(jié)構(gòu)形式的梳齒汽封，取消短齒而加裝蜂窩帶的密封效果并不比原梳齒結(jié)構(gòu)形式的汽封更佳。另外，在隔板及軸端部位，由于這些部位的汽封

15、前后壓差大、過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大等原因，該結(jié)構(gòu)沒(méi)能較好解決機(jī)組啟停機(jī)過(guò)程中由于振動(dòng)大而造成汽封與轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜碰磨問(wèn)題，雖然改造后初期有一定的效果，但隨著機(jī)組啟停次數(shù)的增多，其磨損量逐步加大，其特征與傳統(tǒng)汽封相同，也就失去了改造的意義。同時(shí)，由于碰磨原因及蜂窩材料的特性，蜂窩邊緣會(huì)出現(xiàn)“倒伏”，對(duì)于較小的蜂窩（目前在軸端及隔板部分機(jī)組嘗試使用蜂窩邊長(zhǎng)為1.6mm的汽封），會(huì)使蜂窩“堵死”，造成蒸汽在流經(jīng)環(huán)形孔口進(jìn)入環(huán)形汽室后，由于環(huán)形汽室空間變小，蒸汽不能有效膨脹，反而使漏汽較改前有所增加。陽(yáng)邏、漢川等電廠300MW機(jī)組配套的小汽及軸封改造的運(yùn)行實(shí)踐證明了這一點(diǎn)。4.3、接觸式汽封該技術(shù)是受原

16、炭精汽封、浮動(dòng)式油檔結(jié)構(gòu)的啟示，在原傳統(tǒng)汽封齒側(cè)中部加裝非金屬浮動(dòng)環(huán)，背部仍采用板簧結(jié)構(gòu)形式。（見(jiàn)圖7）圖7其設(shè)計(jì)意圖是利用將浮動(dòng)環(huán)與轉(zhuǎn)子的徑向工作間隙調(diào)整為0，以達(dá)到減少漏汽的目的。機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，尤其是過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子的跳動(dòng)是較大的，而此時(shí)的轉(zhuǎn)速又是較高，因此，其磨損是不可避免的。在機(jī)組初次安裝后開(kāi)始運(yùn)行階段，由于磨損小，會(huì)有一定的效果，但隨著機(jī)組啟停次數(shù)的增多，其磨損量逐步加大，其特征與傳統(tǒng)汽封相同，因此也就失去了改造的意義。成都熱電、寧夏石嘴山等電廠運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證了這一點(diǎn)。另外，該結(jié)構(gòu)對(duì)安裝要求高，如果在安裝過(guò)程中控制不好，會(huì)造成機(jī)組啟動(dòng)困難、振動(dòng)大、浮動(dòng)環(huán)破裂，給機(jī)組的安全運(yùn)行

17、帶來(lái)了不利影響。五、汽封密封效果的保證措施a)查找變形，確定合理靜態(tài)間隙，確保最佳動(dòng)態(tài)間隙。對(duì)于缸體、汽封套變形量大或轉(zhuǎn)子跑偏的機(jī)組，在安裝汽封前，均先調(diào)查了解機(jī)組運(yùn)行狀況、上次汽封調(diào)整情況記錄、本次檢修揭缸后各部位汽封間隙情況，通過(guò)扣實(shí)內(nèi)、外缸并熱緊2/3螺栓查找變形等方法，合理設(shè)計(jì)汽封靜態(tài)調(diào)整量，使汽封與轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)間隙達(dá)到最佳狀態(tài)。江蘇利港電廠#4機(jī)組的安裝調(diào)整實(shí)踐驗(yàn)證了該工藝的可靠性、正確性。該機(jī)大修前后汽封漏汽專項(xiàng)試驗(yàn)表明，高中壓平衡環(huán)漏汽率由改造前的2.47%下降到2.01%，低于設(shè)計(jì)值得2.31%，這主要得益于通過(guò)查找機(jī)組變形量，合理設(shè)計(jì)各部位間隙，使汽封與轉(zhuǎn)子的實(shí)際工作間隙由設(shè)計(jì)值的平衡環(huán)部位的0.75mm改為0.40.5mm，端汽封間隙由0.5mm改為0.25，該機(jī)組一次啟動(dòng)成功。再次驗(yàn)證了布萊登汽封良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。b)改進(jìn)汽封背部結(jié)構(gòu)形式，確保間隙測(cè)量可靠。原因進(jìn)型300MW機(jī)組汽封背部