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  全国火电300MW级机组能效对标及竞赛第四十一届年会论文集 汽机 汽轮机各类汽封特性探讨 张建马力 (国电山东石横发电厂山东肥城271621) 【摘 要】汽封的性能对汽轮机的经济性和可靠性有着重要的影响，为降低漏汽损失，提高汽轮机的安全性 和经济学，使用先进汽封技术对原有的传统汽封做改造是十分必要的。本文对多种汽封的工作原理、结构特性和 实际应用做多元化的分析比较，并阐述了汽封改造和应用中应注意的问题，为汽轮机改造采用汽封提供了依据。 【关键词】汽轮机汽封经济性可靠性 引言 目前我国汽轮机发电机组运行效率普遍偏低，不仅影响企业的经济效益，同时造成巨大的资源 浪费。随国家对节约能源的重视，对机组进行完善改造，提高汽轮机组安全、经济性、挖掘增效 成为各发电企业的一项重要的节能降耗举措。而提高汽轮机效率是提高发电企业整体经济性能水平 的重要方法之一。影响汽轮机效率的因素很多，例如喷嘴损失、动叶损失、余速损失、摩擦损失及 汽轮机漏汽损失等。其中汽轮机的漏汽损失是导致汽轮机效率降低的重要原因之一，其损失占级总 损失的29％n1。因此在汽轮机本体大修过程中，往往采取更换汽封和调整气封间隙的方法，来减小漏 汽损失提高机组效率。 随着金属材料和加工工艺的持续不断的发展，新建机组均向超临界、超超临界发展，汽轮机组的参数 越高，级间蒸汽密度越大，相同密封间隙下漏汽损失越大。为防止汽轮机动静碰磨，间隙又不能过 小，而蒸汽漏汽过大引起的气流扰动不仅影响下一级流道蒸汽流动使级效率降低，还会是转子产生 低频振动。因此合理的汽封设计即能够大大减少漏汽损失，又能够尽可能的防止机组运行过程中发生转子低频振 动，提高轴系稳定性。完善改进传统汽封(轴封)的结构是弥补汽轮机结构设计不足，提高汽轮机 性能的重要措施之一。 1汽封的原理 图a是常见的传统汽封示意图，蒸汽从高压侧流向低压侧，当蒸汽通过环形孔口时，由于通流 面积变小，蒸汽的流速增大，压力降低。当蒸汽进入环形汽室时，通流面积突然变大，流速降低， 气流转向产生涡流，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，蒸汽依次流过各轴封时不断膨胀，蒸汽密度不断变小，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。 53 全国火电300MW级机组能效对标及竞赛第四十一届年会论文集 汽机 凡-^ 吣 心 a)曲径轴封示意 受 ● 2 ’＼ 墼 始，I‘J·(’ b】IlIl径车l}I对的热力过襁线 图b为传统汽封流动过程图。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础原理，孔口两侧的绝热降和相应的初压和背压(P卜，／P，) 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b中的曲线肋F一称为 等流量曲线，或称芬诺曲线，每个漏汽量相对应有l条芬诺曲线。 若汽封初压和背压不变，间隙6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。 若孔口的数目和背压不变，在某一个初压P。下，最后一个孔口汽流速度达到背压Pz下的音速， 这时对应一个临界流量和芬诺线；若提高初压到P。t，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Pz。。 若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 的一个孔口，当总压力差和孔1：3数目及间隙都不变时，这段汽封的实际漏汽量必将有所增加，有些 全国火电300MW级机组能效对标及竞赛第四十一届年会论文集 蒸汽透平采用光轴汽封的漏汽情况就是这样的。 2汽封的作用 1)、汽轮机有静子和转子两大部分。在工作时转子非常快速地旋转，静子固定，因此转子和静子之间 一定要保持一定的间隙，不使相互摩擦。蒸汽流过汽轮机各级工作时，压力、温度逐级下降，在隔板 两侧存在着压差。当动叶片有反动度时，动叶片前后也存在着压差。蒸汽除了绝大部分从导叶、动 叶的通道中流过做功外，一小部分会从各种间隙中流过而不做功，成为一种损失，降低了机组的效 率。 2)、转子还必须穿出汽缸，支撑在轴承上，此处也必然要留有间隙。对于高压汽缸两端和中压 汽缸的前端，汽缸内的蒸汽压力大于外界大气压力，此处将有蒸汽漏出来，降低了机组效率，并造 成部分凝结水损失。在中压缸的排气端和低压缸的两端因汽缸内的蒸汽压力小于外界的大气压力， 在主轴穿出汽缸的间隙中，将会有空气漏入汽缸中。由于空气在凝汽器中不能凝结，以此来降低了真 空度，减小了蒸汽做功能力。 3)、为了减小上述各处间隙中的漏气，又要保证汽轮机正常安全运作，特设置了各种汽封。 3各种型式汽封的结构及特点 3．1传统曲径汽封(梳齿汽封) 传统曲径汽封按其齿形可分为平齿、高低齿和枞树形等多种形式，按汽封齿的加工方法又可分 为整车式、镶嵌式和薄片式等。 迷宫式汽封的密封原理是通过多次截流膨胀产生的阻尼效果，减少蒸汽沿轴向泄漏。轴端汽封、 级间汽封(隔板)和叶顶汽封等各部位的密封大多数为梳齿密封。梳齿汽封一般每圈6～8块，每个 汽封块背部安装弹簧片，弹簧片将汽封块压向汽轮机转子，使汽封齿与转子径向间隙保持最小值。 传统曲径汽封的特点： 1)、这种密封梳齿的径向间隙和轴向齿间距较大，齿间环形腔室的环向流动大幅度减少了涡流降 速的效果。 2)、汽轮机在启停机及过临界转速时，转子振幅较大，梳齿易磨损，导致蒸汽泄漏严重。 3)、梳齿密封还是导致汽轮机蒸汽激振的重要原因之一，运行中汽缸跑偏、受热变形、碰磨， 导致隔板汽封、叶顶汽封和轴封不同程度磨损，出现沿圆周方向径向间隙分布不均，引起蒸汽作用 力沿周向分布不均衡，因此产生蒸汽激振。 4)、汽封齿与轴发生碰磨时，瞬间产生大量热量，造成轴局部过热，甚至导致大轴弯曲，因此 部分电厂为保证机组安全，检修时汽封径向间隙调整较大，牺牲汽轮机经济性代价来保证机组安全 性。 3．2蜂窝汽封 蜂窝汽封于80年代初，英：美开始用于军事领域，解决轴的高频振动问题。90年代初，美国 55 辛国火电300MW纽机目l能教对标段竞赛第四1城年会论≈址 西屋公司成功将蜂窝技术用于汽轮机的低压缸叶顶 密封，目的是除湿，提高时片寿命。gO年代-p期蜂 窝密封技术在国内航天航空领域应用，逐步在汽轮机 上应用，多用在汽轮机轴端和低压缸。其结构是在娘 梳齿汽封的基础上去掉原有汽封的低齿．加深迷宫腔 井在两高齿问钎焊上々低齿相同高度的蜂窝带。蜂窝 汽封是由内扎表面为蜂窝形状的六边形小蜂窝孔组 成。扳厚005—0lm，芯格尺寸08mm～6mlfl，深 度16蚴～6咖，蜂窝带网将大小及高度的选I玟是 根据在不同的改造环境、压』，轴径、转速及气体 的品质，所选用的蜂窝带的规格是不相同的。其密 封机理是这种蜂窝状结构能产牛很强的涡流和解 障，从而形成很大的阻尼而达到阻止工质泄漏的密 封效果。比梳齿密封具有更加好的转f动力学特性。 蜂窝汽封特点： 1)、蜂窝带由舍金制成，耐高温，质地较软，畸转 子碰磨时。对转于伤害较轻。 2)、蜂窝带钎焊在曲径汽封相邻高齿q，∞J部位，尺、J较宽，轴r凸台始终对着蜂窝带，能保持良好 的密封间隙。 3)、蜂窝式汽封的安装问隙可取原标准间隙的下限，管封川隙较小，此外蜂窝结构相对于盐径汽 封的环形腔室可大幅度的降低泄掘蒸汽的流速，使涡流阻尼作用增强，进入蜂窝孔的蒸汽充满蜂窝孔后反 流出．对迎面泄漏来的蒸汽产生阻滞作用，因此密封效果较好。试验表明，在相同汽封间隙和压差的条 件下．蜂窝式汽封比曲径汽封平均减小泄漏损失约30％～50％。 4)、在低压缸处应用，具有定的除湿排水效果，每个蜂窝带都町收集水．并通过背部的环形槽 疏水。提高湿蒸汽区时片通道上的去泓能力，减少末儿绒动叫的水蚀。 5)、蒸汽充满蜂窝扎后反流出，在轴的汽封套表明产生屡汽垫，增强，轴的振动阻尼，削弱轴的 振动，阻碍了汽流激振的形成。 6)、由于结构所限，安装时不便测量间隙。蜂窝带制造和安装T艺要求高。 33接触式汽封 接触式汽封叉称王长春汽封，是在梳齿汽封的q一州镶嵌一种浮环结构，这种浮环结杜J组环后内 径略小于轴径，后边用弹簧支撑，使其宙给进量，机组在安装及运行时，浮环结构平¨轴面轻微接触， 起到密封作用。一般麻朋与汽轮机轴端汽封。 接触式汽封特点： ”、与转轴接触部分的接触齿材料，是种自行开控研制的非金偶多元复合材料，此种材料具 有耐磨、耐油，耐高温，耐老化、耐化学牖蚀等特性，井且其f『自润滑功能。它能直接和转轴接触， 全国火电300MW级机组能效对标及竞赛第四十～届年会论文集 汽机 可与线m／s的轴非间接接触，与转轴之间无间隙，同时由于精密的限位装置的作用，对转轴 的压力受力学链的控制，因此不可能会引起转轴发热，磨轴现象，也不可能会引起轴系振动，能保持和轴始 终接触而稳定运行，确保密封效果。 2)、在压力区段密封齿可将密封齿与转子轴的径向间隙根据不同的位置，调整至常规汽封齿无 法达到的0-0．15珊，可有效的防止高品质蒸汽的泄漏及汽轮机外侧的空气向汽轮机内泄漏，保证汽 轮机真空系统有良好的真空，即保证了汽轮机的效率。 3)、采用接触式汽封与蜂窝汽封的配合使用，让汽流在流过时大量受阻，使得汽流强行挤入蜂 窝巢穴内，使蜂窝最大效力的发挥了作用一减压、形成汽墙。 3．4自调整汽封 自调整汽封也称布莱登汽封，其结构及形式是将螺旋弹簧安装在两个相邻汽封块的垂直断面，并 在汽封块上加工出蒸汽槽，以便在汽封块背部通入蒸汽，汽封齿仍采用传统的梳齿式。技术关键及 难点：准确计算作用于汽封环上的蒸汽压力，特别是泄漏蒸汽作用于汽封内环面的压力；怎么样保持 弹簧在高温状态下的长期稳定工作。可调汽封的使用条件是：汽封块背面必须有较大的蒸汽压力， 因此仅适用于高、中压缸压差较大的隔板汽封和轴封。从安全性和经济性两方面考虑，建议用于合 缸结构汽轮机的高、中压过桥汽封和分缸结构汽轮机的高压进汽部位的内侧几圈汽封。 自调整汽封的特点： 1)、自由状态和低负荷工况时，汽封块在弹簧作用下张开，使径向间隙大于传统汽封的间隙。 随着负荷增加，汽封块背部承受的蒸汽压力逐渐增大并克服弹簧张力，使汽封块合拢，径向间隙减 小。在启停机及过临界转速过程中，各汽封块间的张开状态有很大成效避免汽封与转子的动静碰磨，正常 运行时各汽封块的闭合状态可使汽封在机组运行过程中始终与转子保持最小工作间隙(一般可调整 汽封径向间隙0．25-0．35m)，机组的安全性好，热效率高。 2)、制造和安装工艺技术要求高，特别是弹簧的材质及其加工质量。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；弹簧使用时间不宜超过 10年；必须严控可调汽封的安装、调整和检修工艺，因每圈汽封弹簧的工作所承受的压力不同，安装和 检修时需格外的注意弹簧与汽封圈的对应关系。 3)、机组运行初期，由于汽封处于全开状态，此时间隙最大，漏汽量也最大，转子被快速加热， 极易出现胀差超差，导致起机困难。 4)、由于通流部分积垢，汽封块易被卡死，不可以进行应有的张开或闭合，导致密封失效或动静 碰摩，因此自调整汽封对汽水品质要求比较高。 3．5刷式汽封 刷式汽封主要结构是将鬃毛组件(不锈钢丝及前、后板或夹子)与汽封本体按特定方式组合， 形成刷式汽封结构。鬃毛与转子表面轻微接触，其弹性可追踪转子的径向偏移，进而达到密封作用。 理论上利用刷丝间空隙的不均匀结构产生的横向流破坏同向流，因此产生自密封效应。刷式汽封在 20世纪80年代首先被应用于发动机的密封上，目前主要使用在于航空发动机、燃气轮机、汽轮机的 轴封上，其本身是接触式零间隙汽封。 57 全国火电300MW级机组能效对标及竞赛第四十一届年会论文集 刷式汽封的特点： 1)、优点是能适应转子的瞬间径向运动而不永久性的扩大泄露面积，密封效果很好。 2)、缺点是刷丝在高温蒸汽环境下的耐侵蚀的能力，抗倒伏能力、在不损伤轴的情况下的耐磨能 力，及在较大压差下的颤振、刷丝钢化脱落和滞后效应都有待解决。同时轴系接触部位的轴面需要 高强度粒子喷涂，来保护轴不被磨损，施工难度大，造价高。刷毛、前后板及汽封本体为三体组合 结构，易产生松脱及变形，对机组安全运作造成非常大隐患。 3．6柔齿汽封 柔齿汽封其汽封齿的构造是将多层金属布镶嵌于U型钢板夹套中，U型钢板夹套的进汽侧的高 度低于u型钢板夹套的另一侧的高度，柔性汽封齿的高度高于U型钢板夹套的高边的高度，进而改变 传统汽封齿的刚性结构，使汽封齿具有一定的弹性。柔齿汽封的每个柔齿是由多层组成，在汽流经过 时，使通过的工作介质产生节流阻尼和热力学效应而起到密封作用，达到了增加齿数的目的，提高 了阻汽效果。缩小汽封齿与轴之间的径向间隙，径向间隙值可达到0．2,0．4mm。由于柔齿汽封的汽 封齿具有弹性，当机组在启、停过程中，动静部分发生碰磨时，汽封齿向进汽侧产生倒伏(U型钢 板夹套的进汽侧的高度低于u型钢板夹套的另一侧的高度)，使汽封齿与转子之间产生弹性碰磨，对 汽封齿与转子都不会造成损伤。当碰磨结束后，汽封齿在其弹性及汽流的作用下，可恢复到安装状 态，使汽封间隙达到原设计安装尺寸。柔齿汽封多用于轴端，现安装机组启动时多发生振动现象， 造成开机困难，使用效果有待于观察。 3．7间隙浮动齿式汽封 间隙浮动齿式汽封是在非金属接触式汽封上发展而来，浮动齿采用铁素体金属材料加工，即可 保证让一小部分汽流通过，不改变原机组的自密封的性能设计，又可在保证安全的前提下有效的减 小动静间隙，调整至原汽封齿无法达到的0．15-0．25ram间隙，由于其强度提高，可适用于隔板、围 带处的蒸汽密封。 该结构对安装要求高，如果在安装过程中调整不好，会造成机组启动困难、振动大。给进量在 轴非常快速地旋转时，会被消耗掉，最终形成的间隙可接近于机组安装的标准间隙。此类型接触式汽封最 早应用在轴端密封，现逐步在汽轮机通流部分汽封使用，浮动齿采用铁素体材料，且多与蜂窝汽封 配合使用。 4结论 汽封性能的优劣，对汽轮机的经济性和可靠性有重要影响，为降低漏汽损失，提高机组经济性 和安全性，将原有的传统曲径汽封改为星星汽封是十分必要的。在进行汽轮机汽封改造时，应根据 新型汽封的各个优缺点，结合汽轮机的结构特点，综合考虑应用部位的热力参数(蒸汽温度、压力)、 结构约束性条件(叶片围带、转子轮毂及隔板结构、动静配合部位空间等)、汽封改造成本及收益 等因素，选择正真适合的汽封类型，在确保汽封改造安全性的前提下，将逐步降低汽轮机的漏汽损失， 提高机组的效率。 58 全国火量300坚兰丝墼丝墼鏊型堡垦童壅笙婴±二星笙全笙奎壅 壅!!． ●_________●-●_———_——●—__●--_____--____-●——●_-_●__-●●_-●__-●_________-___●———————-——————————一一 参考文献： [1】李敬、孟召军、盛伟，‘对汽封改革趋势的综合分析》东北电力技术，2004．25(12)；37—39 作者简介： 张建(1978一)，男，工程硕士，工程师，从事电力生产技术管理工作· 马力(1972--)，男，高级技师，从事电力生产技术管理工作。

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