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气流在蜂窝中的往复振荡是蜂窝密封的一种机

2、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 min，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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、。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，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.

9、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

10、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

11、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，

12、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