500MW汽轮机几种典型汽封形式的应用

1、500MW汽轮机几种典型汽封形式的应用冯志强王金丰赵海波（天津国华盘山发电有限责任公司，天津301900）摘要：对500MW机组的几种典型汽封形式作出了介绍，就俄制K-500-240-4型汽轮机低压缸汽封改造问题深入分析了当前的几种汽封的利弊，评价了其低压缸汽封改造为防振动蜂窝汽封后的经济性和安全性。关键词：汽轮机；转子；蜂窝汽封各汽缸汽封形式高中低压缸汽封形式及工作原理汽轮机是转子和静子两部分组成的高速旋转机械，动静之刊的间隙对汽轮机组的安全性和经济性有很大影响。汽轮机动静之间的间隙包括轴颈与轴瓦之间的间隙和隔板汽封与大轴之间的间隙、轴封间隙以及动叶栅与汽缸之间的间隙，其中轴颈与轴瓦之间的间

2、隙仅影响机组的安全性，而其它几部分间隙不对机组的安全性有影响，而且对机组的经济性也有很大影响。汽轮机的高中压缸两端，在主轴贯穿出汽缸处，蒸汽会向外泄露，将增大凝结水损失，使汽轮机的效率降低。在低压缸的两端，因汽缸内的压力低于大气压力，在主轴穿出汽缸处也会有空气漏入汽缸，使机组真空恶化，并增大抽气器的负荷。1号机高、中压缸轴封为曲径轴封，1号机低压缸改造前轴封为斜齿汽封，改造后为蜂窝汽封。曲径汽封结构，它由六个弧段组成，上、下各三个弧段，用弹簧片压紧在相应的槽内，上、下弧段之间留有膨胀间隙。如图1，可把轴封看成是由许多狭小通道及相间的小室串成，从侧面看去即为许多环形孔口和环形汽室。蒸汽从高压侧流

3、向低压侧。当蒸汽通过环形孔口时，由于流通面积变小，蒸汽流速增大，压力降低（因流体内能不变，总能量=内能+动能+压能）。流过第一个孔口时，压力由P降为P，比焓值由h=h降为h。当蒸汽进入环形室E时，流通面积突然增大，01a0b流速降低，汽流转向，产生涡流，蒸汽流速近似降到零，但压力P不变，蒸汽原来具有的1动能变为热能，重新加到蒸汽中去，轴封中蒸汽的散热量与汽流的总热量相比很小，可以忽略。故蒸汽的比焓值应由h恢复到h，即恢复到原来的数值h，比熵值由s增大到s，如bc0bc图所示，蒸汽依次通过各轴封片时都会发生这样的过程。由此可见：如果近似的认为各轴封孔口的环形漏气面积A都相等，而且通过各孔口的l蒸

4、汽流量Gi相同，则各孔口均有AG=Acpllxx蒸汽依次流过各轴封片时不断膨胀，蒸汽密度P不断减小，在AG和A不变的条件下，xll由上式得出流速c必然逐渐增大。也就是说任何一片轴封孔口的汽流必然比前一片孔口的x流速大，比下一片孔口的流速小。由于流速大时比焓降也大，故任何一片轴封孔口的比焓降必然比前一片孔口的比焓降大，而比下一片孔口的比焓降小，也就是图中所示abcdef.。曲线为等流量曲线。当轴封最后一片孔口的的压差足够大时，汽流速度可能达到与当地音速相等的临界速度，这时该轴封的漏汽量达到最大值。曲径轴封漏汽量的一般表达式：AG二0.667PAjpplll00P为轴封漏汽量比（根据级数Z可由轴封

5、漏汽量比曲线查出）lp,p为整个轴封前的压力与密度00A为轴封间隙面积l减小轴封间隙可以减小漏汽，提高机组效率，但轴封间隙又不能太小，以避免转子和静子受热或振动引起径向变形不一致时动、静摩擦。间隙一般取0.250.45mm。低压缸汽封形式及工作原理1.2.1汽轮机设备概述俄制K-500-240-4型汽轮机为超临界、一次中间再热、单轴、四缸、四排汽、凝汽式汽轮机，汽轮机与交流发电机通过刚性联轴器连接在一起，发电机与汽轮机共同安装再一个基础上，基础标高为9.865米，不计发电机时汽轮机总长度为29.95米。汽轮机共有54级，高压缸前部有一个调节级和5个压力级，后部有6个压力级共12级.中压缸前后部

6、各11个压力级，共22级。#1低压缸前后共10个压力级，#2低压缸前后共有10压力级，共20级。高压转子与中压转子均为整段转子，低压缸转子为套装转子，叶轮和主轴分别制造，然后热套在轴上，低压转子最末级叶片长度960mm，所有转子都为刚性联轴器连接，每个转子都用两个支持轴承支承。高压缸体的前、后部及中压缸体的前部都支撑在浇注基础框架上的轴承座上，中压缸体的后部支撑在#1低压缸的前缸体上，高、中压缸用上猫爪支撑的，低压缸体用台板直接支撑在基础框架上。为改善轴承在基础框架上的热力位移条件，在轴承座基础台板表面粘帖低磨镲系数的佛特伦抗磨材料，其厚度1.52.0mm。汽轮机轴系的死点位于高中压缸的推力-

7、支撑联合轴承上。汽轮机的死点：第一死点位于#1低压缸前横框架中心上，既高.中汽缸都向机头方向膨胀，#1低压缸向发电机方向膨胀。第二死点位于#2低压缸的前横框架中心线上，其膨胀方向是朝向发电机。高压缸和中压缸的轴端密封是迷宫型的，在转子上车出环形沟槽和凸台，在固定部分（定子）上车出成形槽，把密封环的弧形块用弹簧片支撑后镶嵌在成形槽内，使密封环的长凸尖与转子上的沟槽吻合，短凹尖与凸台吻合，低压缸I、低压缸II前后两端采用斜齿轴封，它将前后轴封片制成倾斜式，分别安装在前后密封圈和转子上。蒸汽从汽封室抽到带抽汽器的蒸汽冷却器内，使汽封室内压力始终低于大气压力。汽轮机轴封的密封蒸汽来自自用蒸汽母管，母管

8、的蒸汽压力为1.2Mpa.温度为4401，在汽轮机的所有工况下，从汽缸一侧进入的，蒸气温度为1601801，减温器安装在调节阀后，它可使均压母管内的压力保持在108118Kpa的水平。启动时根据汽轮机的温度状况由中间过热器冷段或热段将蒸汽送至到高压缸和中压缸汽封室内。汽轮机高、中、低压转子，发电机转子、励磁机转子各有两个轴承支撑，其高压转子的前后轴承为摆动式楔形轴承，每个轴承共有六块可倾瓦，中压转子前轴承为推力与支承联合轴承。其余均为椭圆孔轴承，各轴瓦均为中分面螺栓连接。汽轮机高、中、低压转子均设有检修专用的顶轴装臵。1.2.2俄制K-500-240-4型汽轮机低压缸轴封形式介绍图2低压缸轴封

9、示意图低压缸轴封是由三段汽封（共六圈）二个腔室构成。即内侧腔室与供汽相连，此供汽侧腔室内始终维持比大气压力略高的汽压（不超过0.015MPa）;外侧腔室与抽汽相连，其抽汽侧腔室压力始终保持略低于大气压。外侧第1段汽封的作用为防止外界空气漏入缸内，外侧第2段汽封的主要作用是阻止高品质蒸汽外漏，第3段汽封的主要作用为阻止供汽侧高温、高压蒸汽漏入低压缸内。低压缸使用斜齿形汽封目前存在缺陷长期以来影响1号机组效率比较严重的就是凝汽器真空，机组真空一直维持在650Pa/min左右（标准：300Pa/min）。由于机组运行时间较长，轴封各部位老化比较严重，再加上1号机为80年代早期的机组，轴封的设计也比较

10、老，效率低。导致影响凝汽器真空的最大漏点就在低压缸轴封位臵。表12003年8月25日#1机真空严密性试验参数时间#1低压缸绝对压力#2低压缸绝对压力机组负荷轴封压力（高/低）11:32207.10Kpa8.17Kpa450MW32/1611:337.80Kpa8.18Kpa450MW32/1611:33308.20Kpa8.44Kpa450MW32/1611:348.59Kpa8.75Kpa450MW32/1611:34308.87Kpa9.02Kpa450MW32/1611:359.26Kpa9.36Kpa450MW32/1611:35309.61Kpa9.65Kpa450MW32/1611

11、:369.95Kpa10.03Kpa450MW32/1611:363010.26Kpa10.35Kpa450MW32/1611:3710.56Kpa10.73Kpa450MW32/1611:372010.86Kpa10.93Kpa450MW32/16备注：试验结果取试验时间5分钟，650Pa/min。在2007年大修前，为解决凝汽器真空低问题特聘请华北电科院专家进行真空系统查漏，经电科院专家采用氦气进行真空查漏确认低压缸轴封为较严重漏点。几种新型汽封的原理特性比较本次1号机组大修，我们针对低压缸轴封系统的改造，对布莱登汽封、蜂窝汽封及TNQF型接触式蜂窝汽封结构形式及性能进行了比较。布莱登汽封

12、技术原理及特性原理：布莱登汽封取消了传统汽封块背部的板弹簧，取而代之的是在每圈汽封块端面处，加装了4只螺旋弹簧.在自由状态下，在弹簧力的作用下汽封块是处于张开状态而远离转子，机组启动时随着蒸汽流量增加，作用在每块汽封弧块背部的蒸汽压力逐步增大，当这一压力足以克服弹簧力、摩擦阻力等时，汽封块开始逐渐关闭，直至处于工作状态，并始终保持于与转子最小间隙值运行，停机时，随蒸汽量的减小，在弹簧力的作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转子径向间隙到达最大值。2.2TNQF型接触式蜂窝汽封原理性能TNQF型接触式蜂窝汽封是接触式与蜂窝技术的完美组合，综合了接触式汽封与蜂窝汽封的优点，主要设计思想是在接触式汽封

13、结构基础上将汽封低齿部分钎焊蜂窝带，其主要优点是：（1）该形式汽封主体部分为接触式汽封齿，与轴径直接接触，起到截流密封的核心效果；（2）低齿部位加入蜂窝带，利用蜂窝网格对气流产生磨擦阻尼效果，减小汽流动能有效的到达截流作用，减少泄漏；（3）蜂窝带的蜂窝网格对气流中的水份具有结露作业，并在蜂窝网格底部开排水槽，以利用排出水份。蜂窝式汽封的技术结构模式和密封机理蜂窝式汽封的结构特点蜂窝式汽封是一种耐磨耗的先进密封结构，由镍基耐高温合金蜂窝带与环体组成，二者通过高温真空钎焊相结合，安装在静止部套上（汽封体），与相应的转动部件一起构成蜂窝式密封结构。蜂窝带由内表面是正六面体的蜂窝孔连续规则排列而成。主

14、要应用于航空发动机、燃汽轮机、汽轮机的轴封、隔板汽封及叶顶汽封。蜂窝式汽封的结构模式与梳齿式汽封有本质的区别（图3，图4，图5为蜂窝式汽封的三种常用结构，图6、图7、图8为三种蜂窝汽封的实物照片），迷宫梳齿式汽封的结构模式是高低齿相间排列，而蜂窝式迷宫汽封的结构模式则是将低齿取消，在两高齿之间的槽道内全部钎焊蜂窝带；对斜齿或直齿式等高轴端汽封将原梳齿全部改为蜂窝带，将蜂窝带焊接在环体上是在真空钎焊炉中自动完成的。蜂窝材料为镍基耐高温合金的不锈钢箔材（厚度通土聃主袖汽虹珂割汽缸内側图4等高式蜂窝常为0.050.10mm），常用材料为海斯特镍基合金钢（Hastelloy-X、Hastelloy-2

15、14）,我厂应用的是Hastelloy-214。鉴于该材料质地较软和蜂窝带状的结构模式所至，与轴径接触的是无数个点形成的面，所以即使与轴摩擦，也不会伤轴面，因此它的径向间隙可以控制得较小。蜂窝带由内孔截面为正六边型蜂窝芯格组成，蜂窝芯格内切圆直径与芯格之高度通常制造厂家有设计规范，不是随意的，只有当其比例适当时，才具有最佳的密封效果。因此蜂窝式汽封几何尺寸的选择需根据机组的结构和参数进行设计选型。録向问用蜂黛忒叶顶虑封行向烷甜*图6迷宫式蜂窝图3迷宫式蜂窝汽封汽封图5蜂窝式叶顶汽封汽封图7等高式蜂窝汽封图8蜂窝式叶顶汽封2.3.2蜂窝式汽封的密封原理理论研究和工厂试验证明，在相同压力和间隙的情

16、况下，迷宫式蜂窝密封的泄漏量比梳齿式密封的泄漏量减小50%-70%。蜂窝式密封的机理与迷宫梳齿密封有本质区别。梳齿式汽封（通常的结构为迷宫式）是通过多级节流膨胀来消耗汽体的能量产生阻尼达到阻止汽体沿轴向泄漏的目的。蜂窝式密封能够封严的物理机理为旋涡耗散能量型。沿轴向进入密封腔室的汽体立即充满蜂窝孔，能量被蜂窝芯格吸收，但蜂窝孔内又不能储存，对漏过来的蒸汽会产生迎头阻碍作用；在蜂窝孔端部与轴径表面的缝隙间由轴高速旋转而产生一层汽膜直接阻止汽流的轴向流动，以上两种阻尼相叠加产生了较强的阻尼，使湍流阻尼作用更强，汽流速度降低更大，使密封效果更好，故蜂窝式汽封具有很好的封严效果。对梳齿式迷宫密封改造为

17、蜂窝式密封的必要性：梳齿式密封结构虽然是汽轮机使用最广泛的一种传统密封结构（自发明50多年其技术模式几乎没有什么改变），鉴于其技术模式的特点，存在以下弊端：（1）梳齿式迷宫密封的机理为通过多级节流膨胀作用产生阻尼，减少汽（气）体沿轴向泄漏，通过设计合理的密封间隙，能够达到一定的密封效果。但由于疏齿式迷宫密封结构不具有可磨性，汽封的高齿与主轴碰磨后易造成大轴弯曲事故，所以设计的间隙控制范围往往较大。电厂在实际检修安装时，由于担心动静摩擦，实际间隙往往偏向设计的高限控制值，造成泄漏量增大，以牺牲经济效益为代价来换取安全。（2）这种结构在安装时汽封径向间隙不均匀，于是便产生切向力而易引发汽流激振，对

18、转子产生激振力。汽流激振一旦发生，很难消除，严重危及机组安全。（3）机组启停过程中，胀差变化较大，对于轴封和隔板汽封，轴上凸台与汽封短齿发生位移，容易出现短齿“掉台”而高齿被拉弯而“倒伏”的现象，进一步增加泄漏量。（4）由于轴封泄漏量的增大，一方面，降低了机组效率及真空，另一方面直接威胁机组的安全。因为轴封漏汽很容易进入轴承箱内，使油中带水导致油质乳化，油质乳化后破坏动态润滑效果会威胁轴瓦安全。2.4综述通过以上汽封相互比较及与各相关电厂调研比较，布莱登汽封靠汽封弧块背部蒸汽压力克服汽封弧块端部弹簧力来保障汽封运行状态，适用于高中压缸级间汽封（隔板汽封）。根据调研咨询，不来登汽封运用在低压缸轴

19、封情况较少，而且低压轴封供气压力较低（只有15KPa）,不能保障汽封弧块背部有足够的蒸汽压力，弹簧失效后将造成汽封不能正常运行，在低压轴封部位使用危险性较大。伊敏电厂于2001年大修将#2机高压缸前轴封更换为布莱登汽封，第一年使用效果较好，第二年使用效果有所下降。TNQF型接触式蜂窝汽封设计理念较好，是高中、压缸汽封的理想选择。但接触式汽封要求与之配合部位有较精密接触平面，1号机低压缸轴封与转子相对配合面为斜齿型结构，在不对转子进行机械加工条件下无接触配合面，不适于TNQF型接触式蜂窝汽封的使用。蜂窝式汽封目前应用范围非常广泛，利用蜂窝网格对气流产生磨擦阻尼效果，减小汽流动能有效的到达截流作用，减少泄漏并能有效提高真空。使用安全性能非常高，基本不存在使用风险。伊敏电厂在2005年1号机大修中将高压前轴封原梳齿式改造为蜂窝汽封，使用两年后效果仍良好。低压缸斜齿式轴封封改换为防振动蜂窝汽封，原梳齿式汽封改换为防振动蜂窝式汽封（见图9）。f-L5汽封环轴u汽封套弹簧片蜂窝带轴弹簧片改造前示意图改造后示意图图3汽封改造前后示意图对比图9汽封改造前后示意图对比低压缸轴封更换后的经济效益（1）防振动蜂窝汽封的应用，在同等