汽轮机新型汽封的应用和比较

汽轮机新型汽封的应用和比较

卫泳波,张晓东,张　钰

国电太原第一热电厂,山西太原　030021[摘要]　汽封的性能对机组的经济性和可靠性有重要的影响。为降低漏汽损失,提高机组安全性和经济性,将原有的传统曲径汽封改为新型汽封十分必要。本文对各种汽封的工作原理

和实际应用情况进行了对比分析,并阐述了汽封改造和应用中须注意的问题。词]　汽轮机组;汽封;漏汽;内效率

[关键

[中图分类号]　TK263.6+3[文献标识码]　B[文章编号]　1002

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　　汽轮机级间蒸汽泄漏使得机组内效率降低,漏汽损失占级总损失的29%,其中动叶顶部漏汽损失则占总漏汽损失的80%,比静叶或动叶的型面损失或二次流损失还大,后者仅占级总损失15%[1～4]。

轴封的蒸汽泄漏除了浪费大量高品质蒸汽外,而且外漏蒸汽进入轴承箱,使油中带水,油质乳化,润滑油膜质量变差,破坏动态润滑效果,引起油膜振荡,造成机组振动甚至烧轴瓦停机。油中进水也会造成调节部件锈蚀卡涩,危及机组安全。

为了减少漏汽损失,提高机组安全和经济性,国内外有关部门对传统汽封进行改造和设计,已陆续出现了许多新型汽封,本文论述了各种形式汽封的工作原

理,对比其应用效果,并对自调整汽封(布莱登汽封)和蜂窝式汽封进行了重点论述,可供制订汽封改进方案时参考。

及膨胀汽室中逐级降低压力,达到减少蒸汽泄漏的目的。

曲径汽封一般每圈汽封环分成6～8块,每个汽封块的背部装有两片平板弹簧片,将汽封块压向汽轮机转子,使得汽封齿与转子径向间隙保持最小值,通常为(0.5～0.935)mm。传统曲径汽封用在大型汽轮机压力级中的最大安装间隙约为(0.8～0.935)mm,调节级中的最大安装间隙约为(1.6～2.5)mm。曲径汽封的缺点主要有:

(1)汽封间隙在运行中不可调整。若汽封径向安装间隙较小,汽轮机在起停机过程中过临界转速时,转子振幅较大,汽封齿很容易磨损;

(2)由于轴封漏汽流量较大(尤其在汽封齿被磨损后),蒸汽对轴的加热区段长度及温度有所增加和升高,使胀差变大,轴上凸台和汽封块的高、低齿发生相对位移而倒伏,造成漏汽流量增加,密封效果得不到保证;

(3)汽封齿与轴发生碰磨时,瞬间产生大量热量,

1　工作原理及特点

1.1　传统曲径汽封

传统曲径汽封一般采用高低齿曲径式结构、斜平齿结构或镶嵌齿片式结构,利用许多依次排列的汽封齿与轴之间较小的间隙,使漏汽在形成蒸汽曲径通道

可能造成轴的局部过热而导致主轴弯曲;

(4)曲径汽封环形腔室的不均匀性是产生汽流激振的重要原因,汽轮机高压转子产生的汽流激振一旦发生就很难解决,危及机组的安全运行。

收稿日期:　2007207220作者简介:　卫泳波(192),男,山西河津人,国电太原第一热电厂生产副厂长兼总工程师,主要从事生产技术管理。

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封,而低压部分不宜采用。

1.2　自调整汽封

自调整汽封改进了曲径汽封块背部采用板弹簧的退让结构,将螺旋弹簧安装在两个相邻汽封块的周向断面(图1),齿的形式仍采用传统汽封的直齿结构,其密封作用主要是由于汽封块合拢时缩小了径向间隙,从而减少汽封漏汽流量。在汽封块处于自由状态和空负荷工况下,由于螺旋弹簧的弹力作用,汽封块张开,使径向间隙总量为(1.75～2.00)mm,大于传统汽封的间隙值,避免或减轻了机组起停过程中过临界转速时由于振动及变形而导致的汽封齿与主轴碰磨。随着负荷增加,汽封块背部所承受的蒸汽压力逐渐增大并克服弹簧张力,使汽封块逐渐合拢,径向间隙逐步减小。在20%额定负荷时,各级汽封块完全合拢,达到设计最小径向间隙值(0.25～0.50)mm,小于传统曲

1.3　蜂窝式汽封

该型汽封根据蜂窝状阻汽原理设计(图2),汽封组件包括汽封环、蜂窝带、调整块和调整垫片等部件。蜂窝带由厚度为(0.05～0.1)mm的海斯特镍基耐高温合金(hastelloy-x)薄板加工成正六棱形孔状结构,工作温度可达1000℃。汽封环材质为15CrMoA,在550℃以下工作时具有较高的热强性和足够的抗氧化性。蜂窝式汽封具有以下特点:

(1)蜂窝带由合金制成,耐高温,质地较软,与转子碰磨时,对转子伤害较轻。

(2)蜂窝带钎焊在曲径汽封相邻高齿中间部位,尺寸较宽,轴上凸台始终对着蜂窝带,能保持良好的密封间隙。

(3)蜂窝式汽封的安装间隙可取原标准间隙的下限,密封间隙较小,此外蜂窝结构相对于曲径汽封的环形腔室可大大降低泄漏蒸汽的流速,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)每个蜂窝带都可收集水,并通过背部的环形槽疏水,提高湿蒸汽区叶片通道上的去湿能力,减少末几级动叶的水蚀,其缺点是易于结垢。

(5)蒸汽充满蜂窝孔后反流出,在轴的汽封套表面形成一层汽垫,增强了轴的振动阻尼,削弱轴的振动,阻碍了汽流激振的形成。

西安交通大学叶轮机械研究所对蜂窝式汽封和曲径汽封的流动性能进行研究结果表明,在汽封前后压差、汽封间隙相同的情况下,蜂窝式汽封比曲径汽封具有较小的泄漏量[5]。

2003年10月,哈尔滨汽轮机厂(以下简称哈汽)在模拟试验机上就蜂窝式汽封与铁素体曲径汽封作对比性破坏试验,试验结论如下:

(1)蜂窝式汽封的使用寿命(耐磨性能)为铁素体曲径汽封的2.5倍;

(2)蜂窝式汽封对轴颈表面的伤害程度(即在相同压力下的划痕深度)仅为铁素体曲径汽封的1/6;

(3)蜂窝式汽封对轴振动稳定性的贡献为铁素体曲径汽封的2倍。

图1　自调整汽封

图2　蜂窝式汽封

径汽封0.75mm的间隙值。

自调整汽封的安装条件是汽封块背部须有足够大的蒸汽压差,因此仅适用于高、中压缸隔板汽封和轴　θ{　热力发电・2007(12)

　技术交流

1.4　铁素体汽封和铜汽封

传统曲径汽封齿的汽封体材料为15CrMo,其适

用温度范围为550℃以下。当超过550℃时,材料组织的不稳定性加剧,高温氧化速度增加,持久强度显著下降。实际运行中若汽封常发生超温,可能会使汽封体发生变形,造成汽封圈抱轴,甚至发生弯轴事故。东方汽轮机厂(以下简称东汽)提出对于高、中压缸采用铁素体汽封代替合金钢汽封,低压缸采用铜合金汽封代替原设计的合金钢汽封。铁素体材料即使淬火,也不会被淬硬,所以用作汽封齿可采用较小的安装间隙。同样,铜汽封用在低压缸也可以采用较小的安装间隙。1.5　刷子汽封

处于高温高压的蒸汽中,工作环境恶劣,再加上弹簧片

本身材质的原因,在汽轮机检修中常常发现因弹簧片弹性不良、汽封块因结垢被卡死造成汽封间隙发生变化。特别是汽轮机在起停过程中,由于汽缸内外壁不均匀受热而产生变形,以及过临界转速转子振幅较大时,可能会导致转子与汽封齿发生局部摩擦,增大了汽封间隙,使漏汽量增加,汽轮机效率下降。2.2　自调整汽封刷子汽封安装间隙较小,在国外被广泛应用于燃气轮机和压气机动叶顶。哈汽生产的叶顶刷子汽封齿

厚约1mm,是由直径仅为0.05mm的钢丝网组成,由于钢丝网紧密相压,且汽封安装间隙约为0.1mm,因此通过的工质极少。此外,刷子汽封具有良好的弹性,一旦与转子发生碰磨,刷子不易被磨掉,并且对轴伤害轻微。

西柏坡发电有限责任公司4台国产引进型300MW汽轮机检查发现,高、中压缸通流部分汽封间隙普遍偏大,内漏严重。从2002年至2005年,对4台机组高、中压缸的轴封,平衡盘汽封,中压缸静叶环汽封进行了改造,将汽封间隙值由(0.8～1.0)mm(设计值为0.76mm)调整为(0.4～0.5)mm。试验表明,经平衡盘漏至中压缸的蒸汽流量由改前的(32～37)t/h下降为(16～18)t/h,接近设计值14.39t/h,使机组热耗率降低40.4kJ/(kW・h),高压缸效率平均提高3.17%,中压缸效率平均提高1.14%。2006年1月,1

号机组大修时检查结果表明:新汽封未磨损,汽封间隙仍保持当初调整值,弹簧无变形,汽封环开闭正常,达到了技术要求。现上海汽轮机厂(以下简称上汽)制造的600MW机组在出厂时已采用自调整汽封。使用自调整汽封应关注的问题有:

(1)在起动和初始负荷阶段,汽封环在弹簧作用下,处于全开位置,此时汽封间隙最大,漏汽量大,转子加热快,若汽缸加热滞后,易出现较大的正胀差。

(2)在所调查的机组中,有些机组由于自调整汽封

图3　刷子汽封

1.6　接触式汽封

接触式汽封(王常春汽封)的汽封齿为复合材料,

加工尺寸、弹簧质量或安装工艺等方面存在问题,使得机组在运行中汽封块不能完全合拢,因此需要选择质量可靠的产品,并保证实施时具有精湛的安装工艺。

(3)若汽水品质差,通流部分积垢严重,经较长时间运行后,停机过程汽封块不能打开,机组再次起动因间隙较小而出现动静碰磨,可能产生振动。2.3　蜂窝式汽封

耐磨性好,具有自润滑性。它是在原汽封圈中间加工

出一个T形槽,将接触式汽封装入该槽内。接触式汽封环背部弹簧产生预压紧力,使汽封齿始终与轴接触。这种汽封实际上是用可磨性材料代替传统曲径汽封的低齿部分,而不改变原有的汽封环背部结构。

蜂窝式汽封主要应用于低压缸末几级动叶片的叶顶汽封,目前已有电厂在高、中压动叶和静叶顶采用了蜂窝式汽封,如:国电靖远电厂4台200MW机组高、中、低压缸动叶顶汽封,大唐淮北电厂6号220MW机组低压缸末三级动叶顶汽封,秦山核电二期2台哈汽650MW机组低压缸次末级和次次末级动叶顶汽封,大唐耒阳发电厂4号300MW机组低压缸整缸动叶、

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2　各种汽封的应用效果

2.1　曲径汽封

曲径汽封在实际运行中由于汽封块的弹簧片长期

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静叶顶汽封,华能井岗山电厂2号300MW低压缸动叶顶汽封等等。这些机组采用蜂窝式汽封后效果较为显著。

哈汽、上海汽轮机厂(上汽)等厂已在部分新机组上配套使用蜂窝式汽封,如:黔西电厂4台哈汽300MW机组使用蜂窝式轴封,石横电厂上汽300MW机组的低压缸次末级和次次末级动叶顶部应用了蜂窝式汽封,并计划在轴封及静叶顶也采用蜂窝式汽封。2.4　刷子汽封和接触式汽封是由于加工尺寸,弹簧质量和安装工艺等方面的因素

造成的,因此需要选择质量可靠的产品,并要具备精湛的安装工艺。

蜂窝式汽封以其密封性能好、对轴颈的伤害较轻、有利于轴的运行稳定性等优点,在电厂得到推广应用,目前哈汽、上汽等制造厂已在其部分新机组上使用蜂窝式汽封。

[参　考　文　献]

[1]　李敬,孟召军,盛伟,等.对汽封改革趋势的综合分析[J].

对于刷子汽封和接触式汽封目前尚未见到更多应用实例的报道,可见众多厂家对这两种汽封的使用较为慎重,选用这类汽封还有待于对试点电厂进行更深入细致的调研,根据实际应用效果再作进一步推广应用。

东北电力技术,2004,25(12):37239.

[2]　朱小令,刘安,张立志,等.国产引进型300MW汽轮机降

耗措施研究[C].第四届全国火力发电技术学术年会论文集,2003,11:2212225.

[3]　倪定.国产引进型300MW汽轮机发电机组汽机优化进

程和高中压缸改造可行性[C].第四届全国火力发电技术学术年会论文集,2003,11:2562259.

[4]　王栩,宫奎,搞兴盛,等.国产引进型300MW汽轮机组设

3　结　语

汽封性能的优劣,对机组的经济性和可靠性有重要影响,为降低漏汽损失,提高机组安全性和经济性,

将原有的传统曲径汽封改为新型汽封是十分必要的。

从国内一些电厂的汽封实际改造情况来看,对自调整汽封应用效果的评价褒贬不一。存在的问题主要

备及系统优化改进[C].第四届全国火力发电技术学术年会论文集,2003,11:2452249.

[5]　李军,邓清华,丰镇平.蜂窝式汽封和迷宫式汽封流动性

能比较的数值研究[J].中国电机工程学报,2005,25(16):

1082111.

APPLICATIONOFVARIOUSSTEAMSEALSFOR

STEAMTURBINESANDCOMPARISONTHEREOF

WEIYong2bo,ZHANGXiao2dong,ZHANGYu

GuodianTaiyuanThermalPowerPlantNo.1,Taiyuan030021,ShanxiProvince,PRC

Abstract:Theperformanceofsteamsealsplaysanimportantroleineconomicefficiencyandreliabilityoftheunits.Inordertode2creasetheleakageloseandtoenhancethesecurityandeconomicefficiencyoftheunits,itismostnecessarytoretrofitthesealstruc2turefromtraditionalsteppedlabyrinthsealstonewtypeones.Theworkingprincipleandpracticalapplicationofseveralkindsofsteamsealshavebeenanalysedandcompared,andproblemsneedingtopayattentioninsealretrofitandsealapplicationbeingex2pounded.

Keywords:steamturbineunit;steamseal;steamleakage;internalefficiency

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