新型汽封型式及应用探讨

1、新型汽封型式及应用探讨一、汽封对汽轮机组安全经济运行的重要影响汽轮机出现一百多年来，其技术理论已日趋完善，在现有的汽轮机技术理论，制造工艺和应用材料基础上，大幅度提高汽轮机内效率是不现实的，但是通过减小汽轮机汽封与转子动静配合间隙达到减少漏汽的目的，是提高汽轮机运行效率主要途径，尤其现代大容量高参数的汽轮机，间隙漏汽对汽轮机效率的影响更大。以国产引进型MW300机组为例，高中压间平衡环汽封实际运行间隙均在0.8mm以上，根据实验测得的数据，仅通过这部分汽封漏汽所造成的漏汽损失就使机组热耗增加60kJ/kWh以上，折合标准煤2克以上。因此减少汽封间隙漏汽对汽轮机效率的提高至关重要。但是，汽轮机是

2、高速旋转机械，在减少通流间隙漏汽（即汽封漏汽）的同时又要兼顾到机组动静碰磨的安全性，尽管机组运行中启机不畅，甚至造成重大弯轴重大事故得原因可能是多方面的，但是结果所反映出来的根本原因是由于动静碰磨所造成的，事故映出来的是动静间隙的问题。以MW200机组为例，80年代初期，弯轴现象时有发生，真对MW200机组的弯轴现象，90年原能源部下文要求电厂和将MW200机组前轴封部分汽封间隙调为11.2mm，以牺牲机组的经济性来保证安全性。汽封兼顾着安全、经济的双重责任，所以人们一直在探求新的汽封结构型式，以解决既能够大幅度提高密封性能、又能满足机组安全运行这一长期困扰汽机专业人员的两难问题二、汽封密封型

3、式及原理旋转机械所采用的密封形式均是被动形式，可分为接触式和非接触式两种。接触式密封泄漏量最小，理论泄漏量为“0”， 应是理想的密封形式。但是，由于汽轮机是在高温高压状态下高速旋转机械设备，运行过程中要伴随缸体热梯度变形、启停过临界转速时振动增大进而产生旋转磨擦等现象，均会使接触式的密封体产生磨损，形成动态间隙，碰磨是绝对的，不磨是相对的，因此，汽轮机运行的动态过程中，转子与汽封是始终存有间隙的，即在汽轮机这种高速旋转设备上只存在有非接触的密封形式，所谓的接触式密封形式也只是相对于非接触式密封而言，间隙相对较小而已。当前汽轮机组均采用疏齿式结构，如图1a)。a)b)c) 图1其结构特点为：a、

4、汽封背部加装板簧，使汽封与转子发生碰磨时能产生退让，当碰磨消失后，汽封在板簧的作用下又回复到工作位置。b、汽封上排列许多具有一定间隙“T”的齿，这些齿与转子表面存有一定的间隙“”，汽封齿与转子形成多个环形孔口，每两个环形孔口间形成一个环形汽室“A”。蒸汽由高压端（P1）汽室流向低压端（P2）汽室。工作原理如下：当蒸汽漏过汽封时，依次通过这些环形孔口和环形汽室。当蒸汽通过环形孔口时，由于通流面积变小，蒸汽流速增大，压力降低(如图1b)。当蒸汽进入环形汽室A时，通流面积突然变大，流速降低，汽流转向，产生涡流，蒸汽流速近似降到零；当压力P不变，蒸汽原来具有的动能转化为热能使焓值不变，蒸汽依次流过各时

5、汽室不断膨胀，蒸汽密度不断减小，比容逐渐增大。全部孔口两侧压力差之和等于整段汽封所维持的总压差。图1c)是曲径式汽封流动过程焓熵图。根据连续公式，任何一个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。又根据喷嘴流动的基本原理，孔口两侧的绝热降和相应的初压背压(Px-1/Px)之比也必定愈到下游愈增加，即(P0/P1)<(P1/P2)<(P2/P3)<。由于环形孔口都没有斜切部分的收缩喷嘴，所以最后一个孔口的汽流速度在任何情况下也不会大于临界速度，其漏汽流量相应的不会大于临界流量，任何其他孔口的汽流速度都永远小于当地音速。图1b)中的曲线246称为等流量曲线，或称芬诺

6、曲线，每个漏汽量相对应有1条芬诺曲线。 若汽封初压和背压不变，间隙也不变，但孔口的数目减少，则每个孔口都处于较大的压差之下，最后的一个孔口汽流可能达到最大的临界流量，从而使漏汽量增加。 若孔口数目和背压不变，在某一个初压P0下，最后一个孔口汽流速度达到背压Px下的音速，这时对应一个临界流量和芬诺线；若提高初压到P01，则漏汽量就增加到另一个更大的临界值。此时，虽然汽封背压不变，但最后一个孔口的出口截面的压力已升高到Pz1若环形汽室体积过小，蒸汽环形汽室不能充分膨胀，在汽封各孔口的汽流动能未能在各汽封环室中全部转化为热能，而是保留一部分带到各自下游的孔口，当总压力差和孔口数目及间隙都不变时，这段

7、汽封的实际漏汽量必将有所增加。根据上述原理，疏齿式汽封的密封机理为：通过蒸汽经过“环形孔”和“环形汽室”反复节流膨胀过程，达到减少漏汽的目的。汽封间隙“”及“汽室”空间的大小，是汽封能否有效实现其性能的关键因素。三、汽轮机组采用新型汽封进行改造的必要性当前我国在役汽轮机发电机组运行效率普遍偏低，严重影响发电企业的经济效益，节能降耗，有效提高汽轮机机组的效率是提高发电企业经济效益的重要途径之一。影响汽轮机效率的因素很多，如机械损伤、表面侵蚀、化学沉积、汽封漏汽等，其中，通流间隙大所造成的漏汽损失是重要原因之一，有关实验表明，由于通流部分间隙过大所造成的损失占机组通流效率损失的80%以上，见图2）

8、。化学沉积 9.1%表面侵蚀 3.9%机械损伤 1%汽封(含叶顶汽封)漏汽 82%图2对于传统形式的汽封，在机组的启动过程中，由于缸体、隔板、汽封体受热不均匀导致的的变形会使汽封齿与转子局部径向间隙变小，引起碰磨，当转子过临界转速时，转子的振动加剧摩擦，从而造成汽封永久性磨损，导致间隙增大。众多机组的检修运行实践也证明了这一点。如福州电厂#1机组，见下表福州电厂#1机组1998年、2004年传统汽封大修前后漏汽率变化机 组 型 号三菱重工TC2F-33.5时 间1998年2004年设计值 大修前大修后变化 与设计值差大修前大修后变化 与设计值差漏汽率1.936.24.7-1.50 2.77 6

9、.434.99-1.44 3.06注：漏汽率是指高压进汽平衡环至中压缸漏汽占再热蒸汽的比率该数据表明，通过大修机组漏汽率有所降低，但经过一段时间运行后，又恢复到修前情况。所以，在汽轮机组设计制造机检修过程中采用新型汽封结构、合理调整汽封间隙是解决机组兼顾安全性、经济性难题的重要途径。四、新型汽封的结构特点及应用4.1、布莱登可调式汽封布莱登可调式汽封是1989年由原美国通用公司汽轮机专家布莱登先生提出设计思想并设计，目前美国通用公司、西屋公司、日本三菱、东芝等公司均已采用，国内哈汽联合循环机组、上汽超临界60万等级机组在设计过程中采用，自1995年首阳山#2机组成功采用，十年来国内已有近180

10、台各类型、容量的机组采用了该技术，取得了很好的技术经济效果，许多机组已经历专项试验和揭缸检查，结果表明达到了预期效果，使机组运行安全性、经济性有效统一，并且技术经济效果持久。其结构如图3图3 图4 图5 其结构特点是：布莱登汽封取消了传统汽封背部的板式弹簧，取而代之在汽封端部加装了4只螺旋弹簧，在汽封弧块进汽侧铣出进汽道。4.1.1、工作原理：自由状态下，在弹簧力的作用下汽封弧块是处于张开状态而远离转子机组启机时，随着蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧块背部的蒸汽压力逐步增大（见图4）当这一压力足以克服弹簧应力、摩擦阻力等时，汽封弧块开始逐级关闭，直至处于工作状态，并始终保持与转子的最小间隙值运

11、行（见图5）停机时，随蒸汽流量的减小，在弹簧应力的作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转子的径向间隙达到最大值。我们知道，汽封与转子的碰磨是在机组启、停机过临界转速时发生的，对于布莱登汽封而言，而此时机组蒸汽流量小，汽封是处于张开状态，所以，布莱登汽封能够有效的避免与转子的碰磨。4.1.2、性能特点：4.1.2.1、安全性a)主动安全：布莱登汽封的主动安全性体现在机组启停机过程中，汽封能够主动远离转子，避免与转子产生碰磨而使机组启停变得十分顺畅。b)被动安全：主要体现在机组事故状态下，能够有效避免事故进一步恶化。布莱登汽封是靠汽轮机缸体内蒸汽压力的作用而与转子保持较小间隙运行，当机组因突发事故，

12、引起转子振动超标时，保护系统会立即跳闸，切断本体通流供汽，汽缸压力随即降低，布莱登汽封失去蒸汽的关闭压力，在弹簧应力的作用下张开，避免了与惰走转子的碰磨，从而避免了弯轴、报死等重大恶性事故的发生。c)减少轴封漏汽，消除机组运行安全隐患d)拟制转子摆动振幅，提高机组运行的稳定性4.1.2.2、经济性：a)提高整机效率增加机组出力；b)减少机组启动次数，降低启动成本c).缩短大修工期和无需更换汽封备品4.1.2. 3、技术经济效果持久4.2、蜂窝汽封蜂窝密封的产生是由于蜂窝结构的刚性和材料的耐高温、柔韧性而应用在特定条件下，如：飞机发动机、大型汽轮机低压末级、次末级叶顶汽封（自由叶片）、以及对材料

13、有特殊要求的燃气轮机机等。其结构如图6图6其结构特点：在原传统汽封的汽封齿部位采用蜂窝带，如果机组原汽封为长、短齿形式，则只将短齿部位采用蜂窝带代替，背部仍采用板簧结构。蜂窝材料（HastelloyX海斯特镍合金）原创是美国，由于蜂窝结构的刚性和材料的耐高温、柔韧性而应用在特定条件下，如：飞机发动机、大型汽轮机低压末级、次末级叶顶汽封（自由叶片）、以及对材料有特殊要求的燃机等。自80年代出现以来，世界尚无著名汽轮机制造商在大型火力发电汽轮机轴封上成功应用的范例，如果蜂窝材料在大型汽轮机轴封上封严效果比传统梳齿汽封更优越，20多年来，有足够的时间予以证明和推广普及应用。目前没有完善的理论和实践证

14、明在大型火力发电汽轮机轴封处，采用蜂窝密封比传统梳齿密封封严效果更好根据理论分析及应用实践效果，蜂窝在低压缸末级、次末级叶顶部位，利用其蜂窝表面积大、对水的吸附作用强的特点，防止动叶的水侵蚀效果良好。但是对于在梳齿汽封中应用蜂窝材料密封来说，由于加装蜂窝带而取消了短齿，从而减小了蒸汽膨胀空间，使蒸汽从长齿间隙喷泄后直接进入到凸台间隙，由于泄漏蒸汽的动能没有在长齿和凸台之间有充足的空间充分转化为势能，从而使凸台间隙漏汽速度增加，增加了蒸汽泄露量。因此，对应于转子为“长城台”结构形式的梳齿汽封，取消短齿而加装蜂窝带的密封效果并不比原梳齿结构形式的汽封更佳。另外，在隔板及轴端部位，由于这些部位的汽封

15、前后压差大、过临界转速时转子振动较大等原因，该结构没能较好解决机组启停机过程中由于振动大而造成汽封与转子的动静碰磨问题，虽然改造后初期有一定的效果，但随着机组启停次数的增多，其磨损量逐步加大，其特征与传统汽封相同，也就失去了改造的意义。同时，由于碰磨原因及蜂窝材料的特性，蜂窝边缘会出现“倒伏”，对于较小的蜂窝（目前在轴端及隔板部分机组尝试使用蜂窝边长为1.6mm的汽封），会使蜂窝“堵死”，造成蒸汽在流经环形孔口进入环形汽室后，由于环形汽室空间变小，蒸汽不能有效膨胀，反而使漏汽较改前有所增加。阳逻、汉川等电厂300MW机组配套的小汽及轴封改造的运行实践证明了这一点。4.3、接触式汽封该技术是受原

16、炭精汽封、浮动式油档结构的启示，在原传统汽封齿侧中部加装非金属浮动环，背部仍采用板簧结构形式。（见图7）图7其设计意图是利用将浮动环与转子的径向工作间隙调整为0，以达到减少漏汽的目的。机组在实际运行过程中，尤其是过临界转速时，转子的跳动是较大的，而此时的转速又是较高，因此，其磨损是不可避免的。在机组初次安装后开始运行阶段，由于磨损小，会有一定的效果，但随着机组启停次数的增多，其磨损量逐步加大，其特征与传统汽封相同，因此也就失去了改造的意义。成都热电、宁夏石嘴山等电厂运行实践验证了这一点。另外，该结构对安装要求高，如果在安装过程中控制不好，会造成机组启动困难、振动大、浮动环破裂，给机组的安全运行

17、带来了不利影响。五、汽封密封效果的保证措施a)查找变形，确定合理静态间隙，确保最佳动态间隙。对于缸体、汽封套变形量大或转子跑偏的机组，在安装汽封前，均先调查了解机组运行状况、上次汽封调整情况记录、本次检修揭缸后各部位汽封间隙情况，通过扣实内、外缸并热紧2/3螺栓查找变形等方法，合理设计汽封静态调整量，使汽封与转子的动态间隙达到最佳状态。江苏利港电厂#4机组的安装调整实践验证了该工艺的可靠性、正确性。该机大修前后汽封漏汽专项试验表明，高中压平衡环漏汽率由改造前的2.47%下降到2.01%，低于设计值得2.31%，这主要得益于通过查找机组变形量，合理设计各部位间隙，使汽封与转子的实际工作间隙由设计值的平衡环部位的0.75mm改为0.40.5mm，端汽封间隙由0.5mm改为0.25，该机组一次启动成功。再次验证了布莱登汽封良好的技术经济性能。b)改进汽封背部结构形式，确保间隙测量可靠。原因进型300MW机组汽封背部