防止叶片断裂的蜂窝密封技术

1、防止叶片断裂的蜂窝密封技术 北京化工大学 何立东 背景 n 密封装置直接影响着机组的效率和 稳定性(振动), 是现代燃气轮机、汽轮机 和压缩机等叶轮机械发展的一项关键技术。 蜂窝密封具有减振和增效的双重作 用. 蜂窝密封的阻尼特性 n利用蜂窝密封较好的阻尼特性，可以抑 制透平机械的振动。试验表明，蜂窝密 封可以提供较高量级的阻尼（9.02E+4 N-S/M）。相比之下，梳齿密封的阻尼小 的可以忽略不计（5.31E+2 N-S/M） 蜂窝密封减振的工作原理蜂窝密封减振的工作原理 n振荡耗散机理振荡耗散机理 n蜂窝密封表面是一个“多孔”的 壁面，瞬态存在着流体径向流进、 流出等复杂流动。 n气流在

2、蜂窝中的往复振荡是蜂窝 密封的一种机理.因为蜂窝中的气 体可以简化成弹性气柱,类似于空 气弹簧，形成弹簧振子。 n大量蜂窝孔中的空气弹簧振子形 成了一层气体弹性气膜，气流在 蜂窝中的往复振荡会耗散气体的 能量，振荡气膜对间隙泄漏气流 也有阻碍作用，减少了气体的泄 漏。 航天飞机液氢、液氧涡轮泵的 应用 n美航天飞机主机高压涡轮输氧泵，其排氧压力 为4.89 X 107 Pa，工作转速为30000rmin， 试验时发生低频振动加剧了滚动轴承的磨损。 n将级间梳齿密封换成蜂窝密封后低频振动消失， 转子密封系统的刚性增强，阻尼增加，使转子 的第二阶临界转速从32500rmin提高到 35200r m

3、in，距最大工作转速的裕度提高到 17. n蜂窝密封使转子系统的阻尼提高了100多倍， 使轴承负荷减小了 3540，延长了轴承 寿命。 舰用燃气轮机 n我国导弹驱逐舰中的GT25000机组，约在26处 应用了高性能蜂窝密封替代传统的梳齿密封， 对保障机组高效、稳定运行，发挥了重要的作 用。 航空发动机 中国歼-8发动机应用蜂窝密封后,转子 振动减轻60%. 地面试验人员说,发动机原来使用齿密 封,地面台架试验时,振动使人的腿都发麻. 改成蜂窝密封后,试验时已经感觉不感觉 麻了. 目前,我国的歼-10，运-12,美国的U-2， F-16都大量应用了蜂窝密封. 蜂窝密封的技术要点和指标技术要点和指

4、标 n蜂窝汽封可以提供较大的阻尼(100多倍)来抑制转子振动。 n泄漏量是梳齿密封的一半，显著降低了汽封的泄漏量，提高 机组的效率。以一台300MW汽轮机发电机组为例，每年可 以多发电约1.8亿度 n由于蜂窝壁厚很薄，如果蜂窝密封与转子碰磨，首先磨损的 是蜂窝密封，对转子没有伤害。从而保证蜂窝不会与转子产 生磨擦而发生危险 。 n叶顶对应的缸体上安装蜂窝汽封可以有效去湿，防止水刷， 提高叶片的安全，提高叶片寿命一倍以上。 n蜂窝密封有很强的耐高温能力，结构强度也很好，不易倒伏， 可以承受很高的压力。 离心压缩机 n1995年，6台排气压力为312Bar的背对背式离 心压缩机，将段间密封设计成带

5、有喷射流的蜂 窝密封。自投产以来，一直运行平稳。 n同年，三台排气压力为500Bar的背对背式离心 压缩机，段间密封为带有喷射流的蜂窝密封， 并应用了阻尼轴承。在全负荷实验中，没有发 现明显的亚异步振动，而且一阶固有频率的振 动也得到了很好的阻尼。 离心压缩机中的蜂窝密封 轴 汽轮机叶顶减振蜂窝汽封的原理汽轮机叶顶减振蜂窝汽封的原理 n叶尖间隙区域存在泄漏涡和 激波的相互作用等非常复杂 的流动过程.有效控制其内部 流动过程将有助于改善叶轮 机的性能，扩大叶轮机的稳 定工作范围 n在蜂窝密封中，各个小蜂窝 就像一间间彼此隔绝的小房 间一样，气流在不贯通的蜂 窝中被强烈地耗散，减低了 流速，达到了

6、减少振动和泄 漏的目的. n导致叶片断裂的重要原因之一是叶片在 很高的气流激振力作用下，产生疲劳裂 纹，裂纹进一步发展导致叶片断裂。本 技术通过分析激振力产生的原因，研制 了控制叶片激振力幅值和频率的减振环， 通过改变气流的流场，显著控制叶片激 振力幅值和频率，可以大大延长叶片的 寿命，已经在多台新、旧汽轮机中得到 了应用和验证。 汽轮机叶顶去湿减振蜂窝汽封汽轮机叶顶去湿减振蜂窝汽封 n在汽轮机中，低压末几级动 叶片水蚀造成叶片寿命缩短 是一个普遍存在的问题。 n尽管采用镀铬、渗碳、表面 淬硬、焊接硬质合金快等方 法来提高动叶片表面的硬度， 以抵抗水珠的冲蚀，动叶片 水蚀问题仍没有从根本上得

7、到解决，掉叶片事故时有发 生。 n湿蒸汽问题不仅造成汽轮机 低压末几级动叶片严重水蚀， 引起叶片的断裂破坏，而且 使级的效率明显下降。 n在汽轮机叶顶对应的 隔板上安装蜂窝汽封， 是目前最新的去湿、 密封技术，可以防止 水刷，提高叶片的安 全，叶片寿命提高一 倍以上。同时级效率 可以提高1%。 蜂窝密封的去湿功能 n蜂窝密封具有收集微小水滴进行去湿的功能， 减少了水滴对叶片的冲蚀，提高了叶片的安全 可靠性。 n从美国引进的多台300 MW和650 MW汽轮机， 大量应用了蜂窝密封。 n利用蜂窝密封的大面积蜂窝将汽流中的大水滴 击碎成小水滴. n蜂窝将小水滴吸收，通过蜂窝汽封中的去湿输 水槽，将

8、汽流中的水引入抽（排）汽口. 叶顶蜂窝汽封的特点叶顶蜂窝汽封的特点 n蜂窝汽封可以提供较大的阻尼来抑制转子振动。同时漏汽量 大大减少，封严效果好,提高级效率1-2%。 n蜂窝汽封环利用螺钉固定在壳体的内壁上，保证叶顶蜂窝汽 封与汽缸体牢固联结，间隙均匀。 n由于蜂窝壁厚很薄、很软，如果蜂窝密封与转子叶片碰磨， 首先磨损的是蜂窝密封，对转子没有伤害，从而保证不会发 生转子碰磨危险。 n利用蜂窝密封的大面积蜂窝将汽流中的大水滴击碎成小水滴. 蜂窝密封具有收集微小水滴进行去湿的功能，蜂窝汽封基体 上开有周向贯通的梳水槽，将汽流中的水引入抽（排）汽口. 减少了水滴对叶片的冲蚀。 n提高叶片寿命一倍以上

9、，提高叶片的安全可靠性。 蜂窝密封用于叶顶气封 业绩业绩1 北京华能热电厂北京华能热电厂75MW后置机后置机 蜂窝叶顶汽封蜂窝叶顶汽封 n重庆嘉凌电厂75MW后置机由于 低压缸末级湿度大，叶片受到强 烈的水滴冲蚀，曾发生叶片断裂 的事故。各级的湿度是：末级 12.4%, 次末级8.5%, 次次末级 4.2%. n2000年北京华能热电厂要购买相 同类型的75MW后置机，为了防 止叶片受到水滴的强烈冲蚀，我 们为其设计并安装了蜂窝叶顶汽 封，如图所示，使用蜂窝汽封后， 用蜂窝的网孔来吸附水滴，去湿 效果好，叶片损伤大幅度下降， 提高了机组效率和运行稳定性。 自投产以来一直安全稳定地运行。 业绩业

10、绩2 秦山核电站秦山核电站650MW的汽轮机蜂的汽轮机蜂 窝叶顶汽封窝叶顶汽封 n该650MW汽轮机， 在低压缸次次末级和 次末级应用了蜂窝密 封。其直径约为2.8m， 次末级湿度是10%, 次次末级湿度是6%. 业绩业绩3 高井电厂高井电厂100MW汽轮机蜂窝叶顶汽轮机蜂窝叶顶 汽封汽封 n我们在该汽轮机低压 缸次次末级和次末级 应用了蜂窝密封。次 次末级叶轮的直径 1865.4; 次末级叶轮 的直径2184.8毫米。 业绩业绩4 广石化广石化25MW汽轮机蜂窝密封汽轮机蜂窝密封 n该机组供汽压力为10.2MPa，蒸 汽温度为460-490，低于设 计值540，低压缸中蒸汽湿度 大，对叶片将

11、会产生严重的水蚀， 叶片寿命受到威胁，极易发生叶 片断裂事故。目前，青岛汽轮机 厂对此采取的对策是在叶片表面 镀上一层金属。这是目前常规的 做法，这种方法不能从根本上解 决严重的水蚀问题，是一种被动 方法。大量事实说明，使用这种 方法后，机组运行一段时间以后， 叶片表面镀层将被水滴冲刷掉， 叶片表面将会产生严重的水蚀凹 坑，叶片极易断裂。 业绩业绩5 中石油辽阳分公司自备电厂中石油辽阳分公司自备电厂 50WM汽轮机叶顶蜂窝汽封汽轮机叶顶蜂窝汽封 n中石油辽阳分公司的一台50WM汽轮机先后5次 发生断叶片的事故，哈尔滨汽轮机厂和上海汽 轮机厂对该机组进行了多次改造，但都没有能 够阻止断叶片事故的

12、发生。特别是最近发生在 2005年10月的一次尤为严重。该汽轮机的次末 级三根长叶片从叶片中部折断，这三根断下的 叶片随后又把次次末级的多个叶片打坏，还严 重损坏了隔板和汽封。目前，我们已经和辽化 签定了技术协议，应用我们的防叶片断裂技术 改造该汽轮机，改造工作将于2006年10月前结 束。 其他业绩业绩 汽轮机级间和轴端应用蜂窝密封 应用事例 n上海某600MW机组 高压前轴封原来蒸汽 泄漏严重，烧毁了振 动传感器，在传感器 附近引入空气进行冷 却。使用蜂窝汽封后， 解决了漏汽问题，取 消了传感器的冷却系 统。运行一个大修期 后，开缸检查，没有 损坏 . n目前我们已经完成对汽轮机蜂窝密封参

13、数的优 化研究、实验、产品试产检测、对本产品进行 了成果鉴定。 n本项目产品已进入批量生产阶段。我们已经在 600MW、300MW、200MW、75MW以及50M 等各种新、老汽轮机中应用了蜂窝密封。 n主要使用单位有：安徽芜湖某电厂、金山某电 厂、兰州某电厂，太原某电厂、扬州某电厂、 平顶山某电厂、吴泾电厂等。 n同时还生产了透平压缩机蜂窝汽封。 汽轮机低频激振时 转子振动瀑布图(负荷变化的影响) n徐州电厂#8机（国产200 MW机 组）曾经发生过30多次由于气流 激振引起的低频振动，机组在约 一年的时间里无法带满负荷运行， 造成了很大经济损失。 低频振动的特征： n振动与介质的压力有关，介 质压力越高，振动越大。 n振动频率不高于转速频率。 n转速越高，振动越大。 n密封间隙增大，振动消失。 小结 1、蜂窝密封能够防止叶片断裂，有利于转子的安全稳定 运行。 2、蜂