防止葉片斷裂的蜂窩密封技術(shù)

1、防止葉片斷裂的蜂窩密封技術(shù)北京化工大學何立東背景n 密封裝置直接影響著機組的效率和穩(wěn)定性(振動), 是現(xiàn)代燃氣輪機、汽輪機和壓縮機等葉輪機械發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。 蜂窩密封具有減振和增效的雙重作用.蜂窩密封的阻尼特性n利用蜂窩密封較好的阻尼特性，可以抑制透平機械的振動。試驗表明，蜂窩密封可以提供較高量級的阻尼（9.02E+4 N-S/M）。相比之下，梳齒密封的阻尼小的可以忽略不計（5.31E+2 N-S/M）蜂窩密封減振的工作原理蜂窩密封減振的工作原理n振蕩耗散機理振蕩耗散機理 n蜂窩密封表面是一個“多孔”的壁面，瞬態(tài)存在著流體徑向流進、流出等復雜流動。n氣流在蜂窩中的往復振蕩是蜂窩密封的一種機

2、理.因為蜂窩中的氣體可以簡化成彈性氣柱,類似于空氣彈簧，形成彈簧振子。n大量蜂窩孔中的空氣彈簧振子形成了一層氣體彈性氣膜，氣流在蜂窩中的往復振蕩會耗散氣體的能量，振蕩氣膜對間隙泄漏氣流也有阻礙作用，減少了氣體的泄漏。航天飛機液氫、液氧渦輪泵的應用n美航天飛機主機高壓渦輪輸氧泵，其排氧壓力為4.89 X 107 Pa，工作轉(zhuǎn)速為30000rmin，試驗時發(fā)生低頻振動加劇了滾動軸承的磨損。n將級間梳齒密封換成蜂窩密封后低頻振動消失，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的剛性增強，阻尼增加，使轉(zhuǎn)子的第二階臨界轉(zhuǎn)速從32500rmin提高到 35200r min，距最大工作轉(zhuǎn)速的裕度提高到 17.n蜂窩密封使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼提

3、高了100多倍，使軸承負荷減小了 3540，延長了軸承壽命。艦用燃氣輪機n我國導彈驅(qū)逐艦中的GT25000機組，約在26處應用了高性能蜂窩密封替代傳統(tǒng)的梳齒密封，對保障機組高效、穩(wěn)定運行，發(fā)揮了重要的作用。航空發(fā)動機 中國殲-8發(fā)動機應用蜂窩密封后,轉(zhuǎn)子振動減輕60%. 地面試驗人員說,發(fā)動機原來使用齒密封,地面臺架試驗時,振動使人的腿都發(fā)麻.改成蜂窩密封后,試驗時已經(jīng)感覺不感覺麻了. 目前,我國的殲-10，運-12,美國的U-2，F(xiàn)-16都大量應用了蜂窩密封.蜂窩密封的技術(shù)要點和指標技術(shù)要點和指標n蜂窩汽封可以提供較大的阻尼(100多倍)來抑制轉(zhuǎn)子振動。n泄漏量是梳齒密封的一半，顯著降低了汽

4、封的泄漏量，提高機組的效率。以一臺300MW汽輪機發(fā)電機組為例，每年可以多發(fā)電約1.8億度n由于蜂窩壁厚很薄，如果蜂窩密封與轉(zhuǎn)子碰磨，首先磨損的是蜂窩密封，對轉(zhuǎn)子沒有傷害。從而保證蜂窩不會與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磨擦而發(fā)生危險 。n葉頂對應的缸體上安裝蜂窩汽封可以有效去濕，防止水刷，提高葉片的安全，提高葉片壽命一倍以上。n蜂窩密封有很強的耐高溫能力，結(jié)構(gòu)強度也很好，不易倒伏，可以承受很高的壓力。離心壓縮機n1995年，6臺排氣壓力為312Bar的背對背式離心壓縮機，將段間密封設(shè)計成帶有噴射流的蜂窩密封。自投產(chǎn)以來，一直運行平穩(wěn)。n同年，三臺排氣壓力為500Bar的背對背式離心壓縮機，段間密封為帶有噴射流的蜂

5、窩密封，并應用了阻尼軸承。在全負荷實驗中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的亞異步振動，而且一階固有頻率的振動也得到了很好的阻尼。 離心壓縮機中的蜂窩密封 軸 汽輪機葉頂減振蜂窩汽封的原理汽輪機葉頂減振蜂窩汽封的原理n葉尖間隙區(qū)域存在泄漏渦和激波的相互作用等非常復雜的流動過程.有效控制其內(nèi)部流動過程將有助于改善葉輪機的性能，擴大葉輪機的穩(wěn)定工作范圍n在蜂窩密封中，各個小蜂窩就像一間間彼此隔絕的小房間一樣，氣流在不貫通的蜂窩中被強烈地耗散，減低了流速，達到了減少振動和泄漏的目的.n導致葉片斷裂的重要原因之一是葉片在很高的氣流激振力作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋進一步發(fā)展導致葉片斷裂。本技術(shù)通過分析激振力產(chǎn)生的原因，研制

6、了控制葉片激振力幅值和頻率的減振環(huán)，通過改變氣流的流場，顯著控制葉片激振力幅值和頻率，可以大大延長葉片的壽命，已經(jīng)在多臺新、舊汽輪機中得到了應用和驗證。汽輪機葉頂去濕減振蜂窩汽封汽輪機葉頂去濕減振蜂窩汽封n在汽輪機中，低壓末幾級動葉片水蝕造成葉片壽命縮短是一個普遍存在的問題。n盡管采用鍍鉻、滲碳、表面淬硬、焊接硬質(zhì)合金快等方法來提高動葉片表面的硬度，以抵抗水珠的沖蝕，動葉片水蝕問題仍沒有從根本上得到解決，掉葉片事故時有發(fā)生。n濕蒸汽問題不僅造成汽輪機低壓末幾級動葉片嚴重水蝕，引起葉片的斷裂破壞，而且使級的效率明顯下降。 n在汽輪機葉頂對應的隔板上安裝蜂窩汽封，是目前最新的去濕、密封技術(shù)，可以防

7、止水刷，提高葉片的安全，葉片壽命提高一倍以上。同時級效率可以提高1%。蜂窩密封的去濕功能n蜂窩密封具有收集微小水滴進行去濕的功能，減少了水滴對葉片的沖蝕，提高了葉片的安全可靠性。n從美國引進的多臺300 MW和650 MW汽輪機，大量應用了蜂窩密封。n利用蜂窩密封的大面積蜂窩將汽流中的大水滴擊碎成小水滴.n蜂窩將小水滴吸收，通過蜂窩汽封中的去濕輸水槽，將汽流中的水引入抽（排）汽口. 葉頂蜂窩汽封的特點葉頂蜂窩汽封的特點n蜂窩汽封可以提供較大的阻尼來抑制轉(zhuǎn)子振動。同時漏汽量大大減少，封嚴效果好,提高級效率1-2%。n蜂窩汽封環(huán)利用螺釘固定在殼體的內(nèi)壁上，保證葉頂蜂窩汽封與汽缸體牢固聯(lián)結(jié)，間隙均勻

8、。n由于蜂窩壁厚很薄、很軟，如果蜂窩密封與轉(zhuǎn)子葉片碰磨，首先磨損的是蜂窩密封，對轉(zhuǎn)子沒有傷害，從而保證不會發(fā)生轉(zhuǎn)子碰磨危險。n利用蜂窩密封的大面積蜂窩將汽流中的大水滴擊碎成小水滴.蜂窩密封具有收集微小水滴進行去濕的功能，蜂窩汽封基體上開有周向貫通的梳水槽，將汽流中的水引入抽（排）汽口.減少了水滴對葉片的沖蝕。n提高葉片壽命一倍以上，提高葉片的安全可靠性。蜂窩密封用于葉頂氣封業(yè)績業(yè)績1 北京華能熱電廠北京華能熱電廠75MW后置機后置機蜂窩葉頂汽封蜂窩葉頂汽封 n重慶嘉凌電廠75MW后置機由于低壓缸末級濕度大，葉片受到強烈的水滴沖蝕，曾發(fā)生葉片斷裂的事故。各級的濕度是：末級12.4%, 次末級8.

9、5%, 次次末級4.2%.n2000年北京華能熱電廠要購買相同類型的75MW后置機，為了防止葉片受到水滴的強烈沖蝕，我們?yōu)槠湓O(shè)計并安裝了蜂窩葉頂汽封，如圖所示，使用蜂窩汽封后，用蜂窩的網(wǎng)孔來吸附水滴，去濕效果好，葉片損傷大幅度下降，提高了機組效率和運行穩(wěn)定性。自投產(chǎn)以來一直安全穩(wěn)定地運行。業(yè)績業(yè)績2 秦山核電站秦山核電站650MW的汽輪機蜂的汽輪機蜂窩葉頂汽封窩葉頂汽封 n該650MW汽輪機，在低壓缸次次末級和次末級應用了蜂窩密封。其直徑約為2.8m，次末級濕度是10%,次次末級濕度是6%.業(yè)績業(yè)績3 高井電廠高井電廠100MW汽輪機蜂窩葉頂汽輪機蜂窩葉頂汽封汽封 n我們在該汽輪機低壓缸次次末

10、級和次末級應用了蜂窩密封。次次末級葉輪的直徑1865.4; 次末級葉輪的直徑2184.8毫米。業(yè)績業(yè)績4廣石化廣石化25MW汽輪機蜂窩密封汽輪機蜂窩密封n該機組供汽壓力為10.2MPa，蒸汽溫度為460-490，低于設(shè)計值540，低壓缸中蒸汽濕度大，對葉片將會產(chǎn)生嚴重的水蝕，葉片壽命受到威脅，極易發(fā)生葉片斷裂事故。目前，青島汽輪機廠對此采取的對策是在葉片表面鍍上一層金屬。這是目前常規(guī)的做法，這種方法不能從根本上解決嚴重的水蝕問題，是一種被動方法。大量事實說明，使用這種方法后，機組運行一段時間以后，葉片表面鍍層將被水滴沖刷掉，葉片表面將會產(chǎn)生嚴重的水蝕凹坑，葉片極易斷裂。業(yè)績業(yè)績5中石油遼陽分公

11、司自備電廠中石油遼陽分公司自備電廠50WM汽輪機葉頂蜂窩汽封汽輪機葉頂蜂窩汽封 n中石油遼陽分公司的一臺50WM汽輪機先后5次發(fā)生斷葉片的事故，哈爾濱汽輪機廠和上海汽輪機廠對該機組進行了多次改造，但都沒有能夠阻止斷葉片事故的發(fā)生。特別是最近發(fā)生在2005年10月的一次尤為嚴重。該汽輪機的次末級三根長葉片從葉片中部折斷，這三根斷下的葉片隨后又把次次末級的多個葉片打壞，還嚴重損壞了隔板和汽封。目前，我們已經(jīng)和遼化簽定了技術(shù)協(xié)議，應用我們的防葉片斷裂技術(shù)改造該汽輪機，改造工作將于2006年10月前結(jié)束。其他業(yè)績業(yè)績汽輪機級間和軸端應用蜂窩密封應用事例n上海某600MW機組高壓前軸封原來蒸汽泄漏嚴重，

12、燒毀了振動傳感器，在傳感器附近引入空氣進行冷卻。使用蜂窩汽封后，解決了漏汽問題，取消了傳感器的冷卻系統(tǒng)。運行一個大修期后，開缸檢查，沒有損壞 .n目前我們已經(jīng)完成對汽輪機蜂窩密封參數(shù)的優(yōu)化研究、實驗、產(chǎn)品試產(chǎn)檢測、對本產(chǎn)品進行了成果鑒定。n本項目產(chǎn)品已進入批量生產(chǎn)階段。我們已經(jīng)在600MW、300MW、200MW、75MW以及50M等各種新、老汽輪機中應用了蜂窩密封。n主要使用單位有：安徽蕪湖某電廠、金山某電廠、蘭州某電廠，太原某電廠、揚州某電廠、平頂山某電廠、吳涇電廠等。n同時還生產(chǎn)了透平壓縮機蜂窩汽封。汽輪機低頻激振時轉(zhuǎn)子振動瀑布圖(負荷變化的影響)n徐州電廠#8機（國產(chǎn)200 MW機組）曾經(jīng)發(fā)生過30多次由于氣流激振引起的低頻振動，機組在約一年的時間里無法帶滿負荷運行，造成了很大經(jīng)濟損失。 低頻振動的特征：n振動與介質(zhì)的壓力有關(guān)，介質(zhì)壓力越高，振動越大。n振動頻率不高于轉(zhuǎn)速頻率。n轉(zhuǎn)速越高，振動越大。n密封間隙增大，振動消失。小結(jié)1、蜂窩密封能夠防止葉片斷裂