1、500MW汽輪機幾種典型汽封形式的應(yīng)用馮志強王金豐趙海波（天津國華盤山發(fā)電有限責任公司，天津301900）摘要：對500MW機組的幾種典型汽封形式作出了介紹，就俄制K-500-240-4型汽輪機低壓缸汽封改造問題深入分析了當前的幾種汽封的利弊，評價了其低壓缸汽封改造為防振動蜂窩汽封后的經(jīng)濟性和安全性。關(guān)鍵詞：汽輪機；轉(zhuǎn)子；蜂窩汽封各汽缸汽封形式高中低壓缸汽封形式及工作原理汽輪機是轉(zhuǎn)子和靜子兩部分組成的高速旋轉(zhuǎn)機械，動靜之刊的間隙對汽輪機組的安全性和經(jīng)濟性有很大影響。汽輪機動靜之間的間隙包括軸頸與軸瓦之間的間隙和隔板汽封與大軸之間的間隙、軸封間隙以及動葉柵與汽缸之間的間隙，其中軸頸與軸瓦之間的間

2、隙僅影響機組的安全性，而其它幾部分間隙不對機組的安全性有影響，而且對機組的經(jīng)濟性也有很大影響。汽輪機的高中壓缸兩端，在主軸貫穿出汽缸處，蒸汽會向外泄露，將增大凝結(jié)水損失，使汽輪機的效率降低。在低壓缸的兩端，因汽缸內(nèi)的壓力低于大氣壓力，在主軸穿出汽缸處也會有空氣漏入汽缸，使機組真空惡化，并增大抽氣器的負荷。1號機高、中壓缸軸封為曲徑軸封，1號機低壓缸改造前軸封為斜齒汽封，改造后為蜂窩汽封。曲徑汽封結(jié)構(gòu)，它由六個弧段組成，上、下各三個弧段，用彈簧片壓緊在相應(yīng)的槽內(nèi)，上、下弧段之間留有膨脹間隙。如圖1，可把軸封看成是由許多狹小通道及相間的小室串成，從側(cè)面看去即為許多環(huán)形孔口和環(huán)形汽室。蒸汽從高壓側(cè)流

3、向低壓側(cè)。當蒸汽通過環(huán)形孔口時，由于流通面積變小，蒸汽流速增大，壓力降低（因流體內(nèi)能不變，總能量=內(nèi)能+動能+壓能）。流過第一個孔口時，壓力由P降為P，比焓值由h=h降為h。當蒸汽進入環(huán)形室E時，流通面積突然增大，01a0b流速降低，汽流轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生渦流，蒸汽流速近似降到零，但壓力P不變，蒸汽原來具有的1動能變?yōu)闊崮?，重新加到蒸汽中去，軸封中蒸汽的散熱量與汽流的總熱量相比很小，可以忽略。故蒸汽的比焓值應(yīng)由h恢復(fù)到h，即恢復(fù)到原來的數(shù)值h，比熵值由s增大到s，如bc0bc圖所示，蒸汽依次通過各軸封片時都會發(fā)生這樣的過程。由此可見：如果近似的認為各軸封孔口的環(huán)形漏氣面積A都相等，而且通過各孔口的l蒸

4、汽流量Gi相同，則各孔口均有AG=Acpllxx蒸汽依次流過各軸封片時不斷膨脹，蒸汽密度P不斷減小，在AG和A不變的條件下，xll由上式得出流速c必然逐漸增大。也就是說任何一片軸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。由于流速大時比焓降也大，故任何一片軸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，也就是圖中所示abcdef.。曲線為等流量曲線。當軸封最后一片孔口的的壓差足夠大時，汽流速度可能達到與當?shù)匾羲傧嗟鹊呐R界速度，這時該軸封的漏汽量達到最大值。曲徑軸封漏汽量的一般表達式：AG二0.667PAjpplll00P為軸封漏汽量比（根據(jù)級數(shù)Z可由軸封

5、漏汽量比曲線查出）lp,p為整個軸封前的壓力與密度00A為軸封間隙面積l減小軸封間隙可以減小漏汽，提高機組效率，但軸封間隙又不能太小，以避免轉(zhuǎn)子和靜子受熱或振動引起徑向變形不一致時動、靜摩擦。間隙一般取0.250.45mm。低壓缸汽封形式及工作原理1.2.1汽輪機設(shè)備概述俄制K-500-240-4型汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸、四排汽、凝汽式汽輪機，汽輪機與交流發(fā)電機通過剛性聯(lián)軸器連接在一起，發(fā)電機與汽輪機共同安裝再一個基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)標高為9.865米，不計發(fā)電機時汽輪機總長度為29.95米。汽輪機共有54級，高壓缸前部有一個調(diào)節(jié)級和5個壓力級，后部有6個壓力級共12級.中壓缸前后部

6、各11個壓力級，共22級。#1低壓缸前后共10個壓力級，#2低壓缸前后共有10壓力級，共20級。高壓轉(zhuǎn)子與中壓轉(zhuǎn)子均為整段轉(zhuǎn)子，低壓缸轉(zhuǎn)子為套裝轉(zhuǎn)子，葉輪和主軸分別制造，然后熱套在軸上，低壓轉(zhuǎn)子最末級葉片長度960mm，所有轉(zhuǎn)子都為剛性聯(lián)軸器連接，每個轉(zhuǎn)子都用兩個支持軸承支承。高壓缸體的前、后部及中壓缸體的前部都支撐在澆注基礎(chǔ)框架上的軸承座上，中壓缸體的后部支撐在#1低壓缸的前缸體上，高、中壓缸用上貓爪支撐的，低壓缸體用臺板直接支撐在基礎(chǔ)框架上。為改善軸承在基礎(chǔ)框架上的熱力位移條件，在軸承座基礎(chǔ)臺板表面粘帖低磨镲系數(shù)的佛特倫抗磨材料，其厚度1.52.0mm。汽輪機軸系的死點位于高中壓缸的推力-

7、支撐聯(lián)合軸承上。汽輪機的死點：第一死點位于#1低壓缸前橫框架中心上，既高.中汽缸都向機頭方向膨脹，#1低壓缸向發(fā)電機方向膨脹。第二死點位于#2低壓缸的前橫框架中心線上，其膨脹方向是朝向發(fā)電機。高壓缸和中壓缸的軸端密封是迷宮型的，在轉(zhuǎn)子上車出環(huán)形溝槽和凸臺，在固定部分（定子）上車出成形槽，把密封環(huán)的弧形塊用彈簧片支撐后鑲嵌在成形槽內(nèi)，使密封環(huán)的長凸尖與轉(zhuǎn)子上的溝槽吻合，短凹尖與凸臺吻合，低壓缸I、低壓缸II前后兩端采用斜齒軸封，它將前后軸封片制成傾斜式，分別安裝在前后密封圈和轉(zhuǎn)子上。蒸汽從汽封室抽到帶抽汽器的蒸汽冷卻器內(nèi)，使汽封室內(nèi)壓力始終低于大氣壓力。汽輪機軸封的密封蒸汽來自自用蒸汽母管，母管

8、的蒸汽壓力為1.2Mpa.溫度為4401，在汽輪機的所有工況下，從汽缸一側(cè)進入的，蒸氣溫度為1601801，減溫器安裝在調(diào)節(jié)閥后，它可使均壓母管內(nèi)的壓力保持在108118Kpa的水平。啟動時根據(jù)汽輪機的溫度狀況由中間過熱器冷段或熱段將蒸汽送至到高壓缸和中壓缸汽封室內(nèi)。汽輪機高、中、低壓轉(zhuǎn)子，發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機轉(zhuǎn)子各有兩個軸承支撐，其高壓轉(zhuǎn)子的前后軸承為擺動式楔形軸承，每個軸承共有六塊可傾瓦，中壓轉(zhuǎn)子前軸承為推力與支承聯(lián)合軸承。其余均為橢圓孔軸承，各軸瓦均為中分面螺栓連接。汽輪機高、中、低壓轉(zhuǎn)子均設(shè)有檢修專用的頂軸裝臵。1.2.2俄制K-500-240-4型汽輪機低壓缸軸封形式介紹圖2低壓缸軸封

9、示意圖低壓缸軸封是由三段汽封（共六圈）二個腔室構(gòu)成。即內(nèi)側(cè)腔室與供汽相連，此供汽側(cè)腔室內(nèi)始終維持比大氣壓力略高的汽壓（不超過0.015MPa）;外側(cè)腔室與抽汽相連，其抽汽側(cè)腔室壓力始終保持略低于大氣壓。外側(cè)第1段汽封的作用為防止外界空氣漏入缸內(nèi)，外側(cè)第2段汽封的主要作用是阻止高品質(zhì)蒸汽外漏，第3段汽封的主要作用為阻止供汽側(cè)高溫、高壓蒸汽漏入低壓缸內(nèi)。低壓缸使用斜齒形汽封目前存在缺陷長期以來影響1號機組效率比較嚴重的就是凝汽器真空，機組真空一直維持在650Pa/min左右（標準：300Pa/min）。由于機組運行時間較長，軸封各部位老化比較嚴重，再加上1號機為80年代早期的機組，軸封的設(shè)計也比較

10、老，效率低。導(dǎo)致影響凝汽器真空的最大漏點就在低壓缸軸封位臵。表12003年8月25日#1機真空嚴密性試驗參數(shù)時間#1低壓缸絕對壓力#2低壓缸絕對壓力機組負荷軸封壓力（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備注：試驗結(jié)果取試驗時間5分鐘，650Pa/min。在2007年大修前，為解決凝汽器真空低問題特聘請華北電科院專家進行真空系統(tǒng)查漏，經(jīng)電科院專家采用氦氣進行真空查漏確認低壓缸軸封為較嚴重漏點。幾種新型汽封的原理特性比較本次1號機組大修，我們針對低壓缸軸封系統(tǒng)的改造，對布萊登汽封、蜂窩汽封及TNQF型接觸式蜂窩汽封結(jié)構(gòu)形式及性能進行了比較。布萊登汽封

12、技術(shù)原理及特性原理：布萊登汽封取消了傳統(tǒng)汽封塊背部的板彈簧，取而代之的是在每圈汽封塊端面處，加裝了4只螺旋彈簧.在自由狀態(tài)下，在彈簧力的作用下汽封塊是處于張開狀態(tài)而遠離轉(zhuǎn)子，機組啟動時隨著蒸汽流量增加，作用在每塊汽封弧塊背部的蒸汽壓力逐步增大，當這一壓力足以克服彈簧力、摩擦阻力等時，汽封塊開始逐漸關(guān)閉，直至處于工作狀態(tài)，并始終保持于與轉(zhuǎn)子最小間隙值運行，停機時，隨蒸汽量的減小，在彈簧力的作用下，汽封弧塊遠離轉(zhuǎn)子，使汽封與轉(zhuǎn)子徑向間隙到達最大值。2.2TNQF型接觸式蜂窩汽封原理性能TNQF型接觸式蜂窩汽封是接觸式與蜂窩技術(shù)的完美組合，綜合了接觸式汽封與蜂窩汽封的優(yōu)點，主要設(shè)計思想是在接觸式汽封

13、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將汽封低齒部分釬焊蜂窩帶，其主要優(yōu)點是：（1）該形式汽封主體部分為接觸式汽封齒，與軸徑直接接觸，起到截流密封的核心效果；（2）低齒部位加入蜂窩帶，利用蜂窩網(wǎng)格對氣流產(chǎn)生磨擦阻尼效果，減小汽流動能有效的到達截流作用，減少泄漏；（3）蜂窩帶的蜂窩網(wǎng)格對氣流中的水份具有結(jié)露作業(yè)，并在蜂窩網(wǎng)格底部開排水槽，以利用排出水份。蜂窩式汽封的技術(shù)結(jié)構(gòu)模式和密封機理蜂窩式汽封的結(jié)構(gòu)特點蜂窩式汽封是一種耐磨耗的先進密封結(jié)構(gòu)，由鎳基耐高溫合金蜂窩帶與環(huán)體組成，二者通過高溫真空釬焊相結(jié)合，安裝在靜止部套上（汽封體），與相應(yīng)的轉(zhuǎn)動部件一起構(gòu)成蜂窩式密封結(jié)構(gòu)。蜂窩帶由內(nèi)表面是正六面體的蜂窩孔連續(xù)規(guī)則排列而成。主

14、要應(yīng)用于航空發(fā)動機、燃汽輪機、汽輪機的軸封、隔板汽封及葉頂汽封。蜂窩式汽封的結(jié)構(gòu)模式與梳齒式汽封有本質(zhì)的區(qū)別（圖3，圖4，圖5為蜂窩式汽封的三種常用結(jié)構(gòu)，圖6、圖7、圖8為三種蜂窩汽封的實物照片），迷宮梳齒式汽封的結(jié)構(gòu)模式是高低齒相間排列，而蜂窩式迷宮汽封的結(jié)構(gòu)模式則是將低齒取消，在兩高齒之間的槽道內(nèi)全部釬焊蜂窩帶；對斜齒或直齒式等高軸端汽封將原梳齒全部改為蜂窩帶，將蜂窩帶焊接在環(huán)體上是在真空釬焊爐中自動完成的。蜂窩材料為鎳基耐高溫合金的不銹鋼箔材（厚度通土聃主袖汽虹珂割汽缸內(nèi)側(cè)圖4等高式蜂窩常為0.050.10mm），常用材料為海斯特鎳基合金鋼（Hastelloy-X、Hastelloy-2

15、14）,我廠應(yīng)用的是Hastelloy-214。鑒于該材料質(zhì)地較軟和蜂窩帶狀的結(jié)構(gòu)模式所至，與軸徑接觸的是無數(shù)個點形成的面，所以即使與軸摩擦，也不會傷軸面，因此它的徑向間隙可以控制得較小。蜂窩帶由內(nèi)孔截面為正六邊型蜂窩芯格組成，蜂窩芯格內(nèi)切圓直徑與芯格之高度通常制造廠家有設(shè)計規(guī)范，不是隨意的，只有當其比例適當時，才具有最佳的密封效果。因此蜂窩式汽封幾何尺寸的選擇需根據(jù)機組的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行設(shè)計選型。録向問用蜂黛忒葉頂慮封行向烷甜*圖6迷宮式蜂窩圖3迷宮式蜂窩汽封汽封圖5蜂窩式葉頂汽封汽封圖7等高式蜂窩汽封圖8蜂窩式葉頂汽封2.3.2蜂窩式汽封的密封原理理論研究和工廠試驗證明，在相同壓力和間隙的情

16、況下，迷宮式蜂窩密封的泄漏量比梳齒式密封的泄漏量減小50%-70%。蜂窩式密封的機理與迷宮梳齒密封有本質(zhì)區(qū)別。梳齒式汽封（通常的結(jié)構(gòu)為迷宮式）是通過多級節(jié)流膨脹來消耗汽體的能量產(chǎn)生阻尼達到阻止汽體沿軸向泄漏的目的。蜂窩式密封能夠封嚴的物理機理為旋渦耗散能量型。沿軸向進入密封腔室的汽體立即充滿蜂窩孔，能量被蜂窩芯格吸收，但蜂窩孔內(nèi)又不能儲存，對漏過來的蒸汽會產(chǎn)生迎頭阻礙作用；在蜂窩孔端部與軸徑表面的縫隙間由軸高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一層汽膜直接阻止汽流的軸向流動，以上兩種阻尼相疊加產(chǎn)生了較強的阻尼，使湍流阻尼作用更強，汽流速度降低更大，使密封效果更好，故蜂窩式汽封具有很好的封嚴效果。對梳齒式迷宮密封改造為

17、蜂窩式密封的必要性：梳齒式密封結(jié)構(gòu)雖然是汽輪機使用最廣泛的一種傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)（自發(fā)明50多年其技術(shù)模式幾乎沒有什么改變），鑒于其技術(shù)模式的特點，存在以下弊端：（1）梳齒式迷宮密封的機理為通過多級節(jié)流膨脹作用產(chǎn)生阻尼，減少汽（氣）體沿軸向泄漏，通過設(shè)計合理的密封間隙，能夠達到一定的密封效果。但由于疏齒式迷宮密封結(jié)構(gòu)不具有可磨性，汽封的高齒與主軸碰磨后易造成大軸彎曲事故，所以設(shè)計的間隙控制范圍往往較大。電廠在實際檢修安裝時，由于擔心動靜摩擦，實際間隙往往偏向設(shè)計的高限控制值，造成泄漏量增大，以犧牲經(jīng)濟效益為代價來換取安全。（2）這種結(jié)構(gòu)在安裝時汽封徑向間隙不均勻，于是便產(chǎn)生切向力而易引發(fā)汽流激振，對

18、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生激振力。汽流激振一旦發(fā)生，很難消除，嚴重危及機組安全。（3）機組啟停過程中，脹差變化較大，對于軸封和隔板汽封，軸上凸臺與汽封短齒發(fā)生位移，容易出現(xiàn)短齒“掉臺”而高齒被拉彎而“倒伏”的現(xiàn)象，進一步增加泄漏量。（4）由于軸封泄漏量的增大，一方面，降低了機組效率及真空，另一方面直接威脅機組的安全。因為軸封漏汽很容易進入軸承箱內(nèi)，使油中帶水導(dǎo)致油質(zhì)乳化，油質(zhì)乳化后破壞動態(tài)潤滑效果會威脅軸瓦安全。2.4綜述通過以上汽封相互比較及與各相關(guān)電廠調(diào)研比較，布萊登汽封靠汽封弧塊背部蒸汽壓力克服汽封弧塊端部彈簧力來保障汽封運行狀態(tài)，適用于高中壓缸級間汽封（隔板汽封）。根據(jù)調(diào)研咨詢，不來登汽封運用在低壓缸軸

19、封情況較少，而且低壓軸封供氣壓力較低（只有15KPa）,不能保障汽封弧塊背部有足夠的蒸汽壓力，彈簧失效后將造成汽封不能正常運行，在低壓軸封部位使用危險性較大。伊敏電廠于2001年大修將#2機高壓缸前軸封更換為布萊登汽封，第一年使用效果較好，第二年使用效果有所下降。TNQF型接觸式蜂窩汽封設(shè)計理念較好，是高中、壓缸汽封的理想選擇。但接觸式汽封要求與之配合部位有較精密接觸平面，1號機低壓缸軸封與轉(zhuǎn)子相對配合面為斜齒型結(jié)構(gòu)，在不對轉(zhuǎn)子進行機械加工條件下無接觸配合面，不適于TNQF型接觸式蜂窩汽封的使用。蜂窩式汽封目前應(yīng)用范圍非常廣泛，利用蜂窩網(wǎng)格對氣流產(chǎn)生磨擦阻尼效果，減小汽流動能有效的到達截流作用，減少泄漏并能有效提高真空。使用安全性能非常高，基本不存在使用風險。伊敏電廠在2005年1號機大修中將高壓前軸封原梳齒式改造為蜂窩汽封，使用兩年后效果仍良好。低壓缸斜齒式軸封封改換為防振動蜂窩汽封，原梳齒式汽封改換為防振動蜂窩式汽封（見圖9）。f-L5汽封環(huán)軸u汽封套彈簧片蜂窩帶軸彈簧片改造前示意圖改造后示意圖圖3汽封改造前后示意圖對比圖9汽封改造前后示意圖對比低壓缸軸封更換后的經(jīng)濟效益（1）防振動蜂窩汽封的應(yīng)用，在同等