汽（气）封技术 在透平机里的应用 2010.10.25 航空发动机 1. 间隙和泄漏 泄漏直接影响透平机械的效率 透平机漏气与效率 汽轮机效率与汽封间隙 P(汽轮机功率增加)=f(△δ/L) 其中: △δ为叶顶间隙的减少量; L为叶片的长度 研究和试验证明: 对于叶顶间隙δ=1.15mm,叶长为17~24mm, δ/L=5.8%, 如减少间隙δ到0.5mm,可增加功率约2%。 在安全性和可靠性得到保证的情况下：减少间隙和改进汽封是提高和改进汽轮机效率经济性最好的改造技术，而且改造周期最短。 2. 汽（气）封结构 —— 减少泄漏 汽封种类与结构 2.1 传统梳齿汽封 梳齿汽封 2.2 布来登汽封 2.3 接触式汽封 2.4 刷式汽封 2.5 蜂窝汽封 2.6 组合汽封（刷式+篦齿） 3 梳齿结构 —— 传统的汽（气）封结构 由高齿和低齿组成梳齿状 3.1 梳齿汽封 3.2 梳齿结构的变化和应用 3.3 梳齿汽封的结构原理 梳齿汽封的特点和问题 结构相对比较简单，成本低 使用历史长 间隙不能调整过小（间隙大） 起停机时易引起震动和热弯曲 碰磨易造成汽封体磨损，降低密封效果 级数越多效果越好，密封级数受限于轴长 4 布莱登汽封 —— 1989年由原美国通用公司汽轮机专家布莱登先生提出 布莱登汽封 汽封背部无弹簧片，取而代之是装在端面的螺旋圆柱弹簧。每一圈布莱登汽封分成6块，在必要的汽封块的端面上钻有弹簧安装孔，用来安装弹簧， 每个汽封块的背面进汽侧铣出一个通汽槽道（供压槽），可让上游来的蒸汽进入汽封块的背面，并对汽封块产生一个蒸汽作用力。这个作用力是随着汽轮机蒸汽进入量增加而增大。 布莱登汽封工作原里 当汽轮机未冲动时，普通的梳齿式汽封处于封闭状态，但对于布莱登汽封来言由于撤消了背部的弹簧，在一圈的端面安装4个弹簧，所以蒸汽流量未达到一定时，整圈的汽封应处于张开状态； 汽轮机启动后，蒸汽流量逐渐增加，作用于可调式汽封弧段背面的压力会逐渐大于作用在正面的压力，产生一个压差。当这个压差达到能克服螺旋弹簧的推力时，汽封环就闭合，使汽封齿与轴的间隙变小。 停机时，进汽量慢慢地减少，当流量减到一个数值时，螺旋弹簧的推力大于压差、摩擦力、弧段重力等，就使汽封环张开。 因此经过精密计算而设计的各级汽封螺旋弹簧可以使各级可调式汽封按照需要，在不同的蒸流量下，逐一关闭，使整一个完整的过程平稳有序地进行。 布莱登汽封 无法在低压缸使用 弹簧的制造、安装工艺和汽水品质直接影响使用效果 布莱登汽封特点 启机时间隙最大； 正常运行时间隙最小； 由于布莱登汽封每一级的关闭时间不同，每一级的弹簧不同，保证每一圈的弹簧; 汽封块安装工艺需要正确。 布莱登汽封块上的弹簧孔加工时一定要保证其直径、垂直度及光洁度契合设计要求，否则会造成弹簧卡涩现象; 布莱登汽封的弹簧质量和可靠性至关重要; 某电厂2号机组在2004年大修时揭缸检查，发现部分汽封块有卡死、没有弹起现象，根本原因是弹簧长期在高温下失效。 5 接触式汽封（王长春汽封） 由浮动环（主要成分为石墨） 取代中间的低齿部分 接触式汽封 接触式汽封 接触式汽封特点 在原传统汽封齿侧中部加装非金属浮动环，需要耐高温700℃，耐磨性且具有自润滑性能； 背部仍采用板簧结构及形式。 当汽轮机运行中产生振动或偏心时，汽封齿将随着轴心位置的变化向内压出或向外退让，使非金属浮动环始终与轴接触保持无间隙。 无间隙运行，使汽（气）体泄漏（漏入）量达到最小值，达到理想的密封效果，提高机组效率； 它可以与任意一种传统汽封形式相结合，使其更具适应性且用途广泛而实用， 接触式汽封应注意的问题 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，而此时的转速又是较高，因此，其磨损是不可避免的。 在机组初次安装开始运行时由于磨损小，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； 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，给机组的安全运行带来不利影响。 弹簧在高温下工作也容易变形，浮动环常规使用的寿命短。 高压缸不可以使用。 6 刷式汽封 在汽封的中间部分勇刷环取代 一圈高齿 刷式汽封结构 刷式汽封 刷式汽封和其他汽封的汽封比较 刷式汽封和其他汽封的汽封比较 刷式汽封效果 转子速度：3800RPM，线Mpa; 比较：七齿阶梯迷宫汽封间隙为：0.381mm; 上述更换单一刷式后，泄漏减少176%；刷式汽封+6齿迷宫汽封漏气减少240% 刷式汽封的效果 刷式汽封在GE5P和6B应用效果 刷式汽封 刷式汽封的磨损和对轴的影响 刷式汽封的特点 刷式汽封允许摩擦，能做到“零”间隙，不伤轴； 与刷式汽封相配合处需要有耐高温、耐磨蚀的涂层； 刷丝材料和与之相配合（接触）的涂层材料匹配关键； 能吸收轴的径向位移不磨损轴 应用场景范围广，没有极限性 7 蜂窝汽封 70年代初美国公司 首先应用于航空发动机提高效率 HONEYCOMB SEAL 蜂窝汽封：叶顶汽封和隔板汽封 数值分析方法研究迷宫式隔板汽封和蜂窝汽封的内部流场 两种齿间距的迷宫式隔板汽封和两种蜂窝高度的蜂窝汽封流动特性并且计算了泄漏量 得到以下结论 对于迷宫式隔板汽封，齿间距的增大造成了泄漏量的增加。迷宫式隔板汽封内部流动被汽封齿分割成沿着流动方向的涡流，将蒸汽的动能转化为热能，起到了密封的效果； 相同隔板前后压力差和间隙尺寸下，蜂窝汽封相比于迷宫式隔板汽封具有较小的泄漏量，这是由于蜂窝汽封内的蒸汽流动被蜂窝内孔表面上的六角网格所分解，被分解的蒸汽流在各个小蜂窝内形成许多小的涡流，蜂窝汽封更加有效地将流动的动能转换为热能，提高了密封效果。 蜂窝汽封试验数据 蜂窝汽封和其他汽封的比较 8 蜂窝汽封在汽轮机中的应用 叶顶蜂窝汽封和轴端汽封 蜂窝汽封特点 可磨蚀、减震 增加汽流阻力、减少漏汽 提高汽轮机效率、提高出力 除水湿保护叶片 可更换降低维修成本 高温度高压力差位置有较好效果间隙过小易引起振动。 在低压缸末级次末级除湿效果明显（镍基） 生产的基本工艺要求高，(真空钎焊的要求高) 汽封改造安全性、可靠性保证 汽封结构设计 根据详细情况现场测绘； 汽封结构的设计； 径向和轴向间隙； 汽封制造技术和质量保证 材料； 制造技术和工艺； 制造能力； 质量控制和保证（IQC、PQC、OQC）； 现场安装； 压差 刷式汽封 8个梳齿，0.40mm间隙 8个梳齿，1.52mm间隙 0.7 – 1.1% Bucket Tip （叶顶） 0.4 – 0.8% Shaft End Seals（轴端） 0.2 – 0.4% Interstage Shaft Packing（隔板） Benefit（效率） Location（汽封位置） 305米/秒 室温8小时 650°C，50小时 蜂窝汽封的原理和试验 * * 汽轮机:泄露损失占内部损失1/3; 叶顶泄露损失22%; 隔板泄露损失7%; 大约等于静叶或动叶型线损失和二次流损失之和(30%); 汽封间隙对泄露的影响 汽封 减少漏气 篦齿/迷宫 汽封 蜂窝 汽封 刷式 汽封 其他 接触式 （石墨） 汽封 组合 汽封 布来登 汽封 布莱登汽封的螺旋弹簧 接触汽封中的非金属浮动环块

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