大功率汽轮机中的完整通流级三维流场解析.ppt

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采用先进汽封技术提升汽轮机性能,主讲人:

宁哲,西安热工研究院有限公司2019年1月,主要内容,1.汽封对机组经济性的影响2.各种型式汽封的特点及应用分析3.汽封改造方案及效益预估4.汽封改造效果评价5.结束语,1.汽封对机组经济性的影响,汽轮机通流部分设计、制造技术日臻完善漏汽损失已成为制约汽轮机效率提高的主要因素,高、中压缸功率和热耗率损失,汽轮机性能恶化的主要原因,对于大型汽轮机，在可确认的效率损失中，40%是由于汽封间隙过大所引起的。

汽封性能的优劣，不仅影响机组的经济性，而且影响机组可靠性汽轮机级间蒸汽泄漏使得机组内效率降低汽封泄漏对流体主流的干扰，引起主流流场的变化轴封的蒸汽泄漏除了浪费大量高品质蒸汽外，外漏蒸汽进入轴承箱还会使油中带水，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。

油中进水还可能造成调节部件锈蚀卡涩，危及机组安全。

为了减少漏汽损失，提高机组安全性和经济性，国内外有关部门对传统汽封进行了各种现代化改造，已陆续出现了许多新型汽封。

新机组在设计及制造中直接采用新新型汽封对老机组进行汽封现代化改造,2.各种型式汽封的特点及应用分析,2.1传统曲径汽封（梳齿汽封）,传统曲径汽封,利用许多依次排列的汽封齿与轴之间较小的间隙，形成一个个的小汽室，使高压蒸汽在这些汽室中压力逐级降低，来达到减少蒸汽泄漏的目的曲径汽封一般每圈汽封环分成68块，每个汽封块的背部装有平板弹簧片，弹簧片将汽封块压向汽轮机转子，使得汽封齿与转子轴向间隙保持较小值，在运行中汽封间隙不可调整。

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

（2）由于轴封漏汽量较大（尤其在汽封齿被磨损后），蒸汽对轴的加热区段长度有所增加，并且温度也有所升高，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，造成轴局部过热，甚至可能导致大轴弯曲。

所以在机组检修时，电厂只能把汽封径向间隙调大，以牺牲经济性为代价来确保机组的安全性；（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，而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（5）弹簧弹性不好，或出现断裂，造成漏汽量增加（6）汽封的磨损是永久性的,曲径汽封的主要缺点：

动画演示,迷宫齿（梳齿）磨损,“揭缸提效”，调整汽封间隙遵循“安装间隙压下限”不能一味地强调减小汽封间隙应考虑运行水平、机组振动情况等因素来合理的选择汽封安装间隙。

建议：

传统曲径汽封依然是应用最为广泛的汽封，如果在运行过程中，通过提高管理、检修和运行水平，进行合理的维护工作，传统曲径汽封也能保证较好的密封效果。

应用：

侧齿汽封是与传统迷宫汽封最接近的一种新型汽封。

.2侧齿汽封,侧齿汽封结构图,光滑腔内增加侧齿和底齿,侧齿汽封,16,基本原理,降低透气效应提高摩阻效应、热力学效应、流束收缩效应,普通梳齿汽封,侧齿迷宫汽封,.2侧齿汽封,17,“梳齿汽封：

由于汽封齿之间空腔内形成的漩涡流动，将泄漏射流动能转化为热能，起到了常规密封作用。

”,高低齿汽封子午平面速度矢量图,侧齿汽封子午平面速度矢量图,“由于侧齿的分割作用，涡流区耗散强度增加，汽封腔室中的湍流特性变得更加复杂，在侧齿周围形成几个漩涡。

”,18,梳齿汽封的流场图,侧齿汽封的流场图,19,综上，由于侧齿的存在，相当于把单一汽封腔室分割成多份，在汽封腔室内形成更多的大小漩涡，相应的热力学效应和摩阻效应大大增加，汽体涡流的动能转化为热能更为强化。

据有关单位测试：

“侧齿汽封的漏气量明显低于高低齿汽封的漏气量。

侧齿汽封漏气量为高低齿汽封的71.61%”。

侧齿汽封的特点,与传统汽封最为接近，安全可靠性高。

侧齿的设置有效的阻止了蒸汽泄漏，大大降低了漏气损失，与高低齿汽封比较可减少漏气量25%以上。

可以依然采用疏齿汽封的安装调试方式，检修安装人员无需再经过技术培训。

使用范围较广（隔板、过桥、轴端等）。

要有先进的成型工艺作保障专利技术、独家生产,安装在机组上的侧齿汽封,已成功在国内300MW、600MW等多台机组上应用。

2.3蜂窝式汽封上世纪90年代初，美国航天科学家在研究航天飞机液体燃料蜗轮泵的密封问题时，试验发现蜂窝状的汽封可产生很好的密封效果,于是蜂窝式汽封便开始在航天飞机、飞机发动机及燃气轮机上推广应用。

根据蜂窝状阻汽原理设计蜂窝式汽封组件包括汽封环、蜂窝带、调整块和调整垫片等部件。

蜂窝汽封局部图,增加了密封的当量齿数，减少了泄漏量；蜂窝的吐纳作用阻滞流体泄漏，从而使泄露量减少；蜂窝状结构具有良好能量耗散功能，可形成阻碍沿轴向流动的工质泄漏的有效屏障。

蜂窝式汽封密封机理,蜂窝式汽封特点,

（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）蜂窝带钎焊在曲径式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露蒸汽的流速，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将水疏出，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。

蜂窝迷宫汽封,采用蜂窝汽封改造后的隔板汽封和叶顶汽封,采用蜂窝汽封改造后的低压轴封,蜂窝式汽封的二种现象分析,目前蜂窝式汽封在推广应用过程中存在着二种现象应当引起重视：

其一：

国内经销蜂窝式汽封的公司过多过杂，其产品质量良莠不齐，导致汽封改造效果难以保证。

拥有自主知识产权、掌握精湛设计技术、具备先进制造手段、有强大的持续改进能力、有完善的质量保证体系、取得突出的改造业绩、信誉良好的公司应该作为首选。

其二：

在有些汽封改造项目中把单台机组上所有的轴封和隔板汽封全改为蜂窝式汽封，这种改造未必能达到满意的效果。

在某些部位（例如：

高中压缸之间的过桥汽封）换成其它形式的先进汽封（例如：

自调整汽封），可能会收到更好的效果,2.4自调整汽封,自调整汽封,自调整汽封是在1987年由美国GE公司雇员RonBrandon提出并完成设计制造，并取得了ABE专利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。

在自由状态和空负荷工况时，汽封块在螺旋弹簧的弹力作用下张开，使径向间隙达（1.752.00）mm，大于传统汽封0.75mm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，一般设计在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（0.250.50）mm，小于传统曲径汽封的间隙值。

具有”收放”功能汽封的工作过程,请注意弹簧动作前后的漏汽量的变化,机组在启动过程中的振动特性（针对60Hz的机组）,自调整汽封的安装条件是汽封块背部须有足够大的压差，因此仅可以使用在高、中压缸隔板汽封和轴封，而低压部分不适用。

1994年国内有关部门引进自调整汽封技术，从国内电厂汽封的实际改造情况来看，对自调整汽封应用效果的评价褒贬不一，自调整汽封应用中两个最主要的问题是弹簧质量和卡塞，对蒸汽品质要求较高。

（1）冷态起动胀差较大，在起动和初始负荷阶段，汽封在弹簧作用下，处于全开位置，此时间隙最大，汽封漏汽量大，转子加热快，若汽缸加热滞后，易出现较大的正胀差；

（2）运行中汽封块不能完全合拢，有些机组由于自调整汽封加工尺寸、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）起停机时汽封块打不开，若汽水品质差，通流积垢严重，汽封块被卡死，停机过程不能打开。

再次起机时，因汽封间隙较小而出现动静碰磨，损伤齿、轴，并可能产生振动。

使用自调整汽封应关注的问题：

Turbocare公司进行的设计改进,弹簧设计的改进,

（1）弹簧材料的改进,通过改进弹簧材料性能，避免了早期布莱登汽封材料处于过应力的问题，有效降低了弹簧发生断裂或永久变形的可能性。

弹簧变形失效示意图（弹簧变短）,原始设计：

闭合时，弹簧可能会卡在未对准位置的弹簧上，使汽封块无法正常移动。

改进设计：

只有一端插入汽封段，另一端自由碰触在相邻汽封段的端口。

避免了弹簧横跨相邻的汽封块，使每一个汽封段可以无障碍的移动。

（2）弹簧槽的改进,汽封环收放模型改进,原始设计：

360模型。

上部和下部弹簧受力不均匀（下部每个弹簧都需要支撑6个汽封段中41%的质量（150），可能导致上、下部不能闭合到设计位置。

改进设计：

180模型。

通过位于水平接口处或其附近的栓或销来控制上下180之间的相互作用。

汽封环闭合顺序优化,传统闭合方式为顺序闭合，但在实际应用中存在汽封块不能完全闭合的问题！

Turbocare公司采用计算流体动力学方法精确计算分析了通过汽封进汽槽道及汽封弧段四周的蒸汽流量，精确地计算出了用于封闭汽封弧段的压力，通过进气槽道的优化，提高了汽封的闭合特性！

改进前、后汽封环闭合概率对比,汽封齿应力分析优化,改进设计：

装配式汽封齿改进为整体式汽封齿。

优点：

有效减小了汽封齿的峰值应力、提高了汽封齿的固有频率，从而减小了可能出现的齿断裂现象,转子动力学分析优化,通过加装多级反漩涡汽封环结构改善转子动力学特性,通过一系列的改进很好地解决了早期自调整汽封存在的问题，使自调整汽封的综合性能得到显著提升。

到目前为止，Turbocare公司的自调整汽封已经在全世界范围内超过750台各类型机组上得到应用，有效改善了这些机组的性能，并取得可观的经济效益。

适用范围,自调整汽封只适用于高、中压缸部分，在低压部分不适用！

“定制服务”是自调整汽封改造的关键,自调整汽封的使用效果受设计、安装、调整、运行等多方面因素影响自调整汽封是一种需要“定制服务”的密封产品汽封块背部蒸汽压力与弹簧压力的平衡是使用过程中汽封环能否顺利闭合和打开的的关键因素。

只有自调整汽封设计与所应用机组的结构、状态、运行参数等精确匹配时，自调整汽封才能发挥最佳的效果,2.5刷式汽封,自调整刷式汽封,动叶顶刷式汽封,具有”收放”功能刷式汽封的工作过程,请注意弹簧动作前后的漏汽量和刷子的工作状态,美国TurboCare专利技术,在中国也申请了专利,刷子片的结构，刷毛可快速移动以便适应转子的过渡过程,独特的压力平衡刷式密封设计,减少密封磨损/发热,压力平衡腔,标准刷式密封,压力平衡刷式密封,作用在刷密封上的净轴向载荷大,作用在刷密封上的净轴向载荷小,可将动叶叶顶汽封间隙由设计值0.75mm减小至0.45mm；隔板汽封可由设计值0.75mm缩小至0.051mm（近0间隙）；汽封间隙的降低使得密封效果得到改善，汽轮机缸效率提高；刷子汽封是唯一一种实用型柔性汽封，其他类型汽封都将面临在汽机暂态不稳定工况时的永久磨损问题；可应用于轴封、隔板汽封、平衡盘汽封及叶顶汽封等各个部位；可有效遏制轴振；由于刷子材料的特殊性、加工工艺的特定性，具有不可模仿性即每个客户的汽封服务包括汽封本体都是唯一的，不可替代的；使用寿命长达15年以上；单级承压范围上至300Psi（21.09Kgf/cm2）；可应用在上至1300MW容量机组。

可收放式刷子汽封的优势,直接将迷宫汽封长齿更换为刷丝束形成的刷式汽封（国产刷式汽封的做法）很容易在机组启动时产生刷丝束磨光的现象。

甚至造成刷式汽封后挡板与汽轮机轴直接接触，对轴造成损伤，影响机组安全运行。

Turbocare将刷式汽封与自调整汽封结合起来形成可调整刷式汽封，从而有效地避免了刷丝束的磨损，保证了刷式汽封的长期密封效果，同时提高了机组运行的安全性。

关于刷式汽封与可收放式的结合,资料显示刷式汽封的使用寿命约810年，上图为一个使用67年后的刷式汽封，汽封仍保持完好。

刷式汽封与汽轮机轴接触而被磨光的区域,韩国某电厂GE公司375MW机组采用刷式汽封后，高压缸效率提高2.6%，中压缸效率提高2%，大修综合改进效果为：

机组出力提高约14MW，热耗率降低约3%。

刷式汽封在世界范围内已在超过100台机组上成功应用，在韩国有超过50台的应用实例，机组容量包括200MW、350MW、500MW和800MW，汽轮机厂家有GE、Hitachi、Alsthom等,2009-4-13同韩国保宁电厂人员进行技术交流,华能丹东电厂

（1）,华能丹东电厂

（2）,2019年5月访美

（1）,2019年5月访美

（1）,2019年5月访美

（2）,2019年5月访美（3）,2019年5月访美（3）,2.6接触式汽封,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。

接触式汽封的汽封齿为复合材料，耐磨性好，具有自润滑性。

接触式汽封特点：

（1）汽封齿直接与轴（套）接触，全面起到阻流作用；

（2）接触汽封齿背部设有单独的弹簧压力系统，具有自动跟踪转轴，尤其是汽轮机启停时，实现自动跟踪、自动补偿，完全无间隙运行；（3）具有精确限位装置，具有很高灵敏度，适应转轴偏摆及晃动；（4）接触汽封齿材料耐高温700，具有耐磨性；（5）接触汽封齿材料为复合材料，具有自润滑性。

接触式汽封的应用及注意点：

接触式汽封已经成功应用于在国内多台汽轮机上。

从使用效果来看，接触式汽封应用于低压缸轴端汽封时，能够显著减少空气向低压缸的泄漏，有效改善空气漏入对低压缸真空的破坏。

值得注意的是，由于接触式汽封与轴直接接触的特性，在汽轮机启动过程中，可能影响转子热膨胀，也可能出现退让不畅造成的转子碰磨现象。

基于上述考虑，建议在使用接触式汽封时，留有一定的安装间隙（冷态间隙）是必要的。

安装在机组上的接触式汽封,2.7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。

实际运行中若汽封经常发生超温，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。

国内已有制造厂对于高、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。

3、汽封改造方案及效益预估,汽封改造方案的总体原则：

根据性能分析的结果，结合机组结构特点和各种汽封的技术特点，合理组合使用各种型式的汽封，实现最优的机组经济性提升。

汽封改造方案论证,汽封改造方案影响因素分析,机组性能分析,机组型式及结构影响,机组实际状态与设计的偏差,机组性能分析关注以下几个方面：

热耗率缸效率高中压过桥汽封高中压轴端汽封低压缸轴端汽封自密封系统,根据机组的结构及参数特点，在不同的部位选择适当的汽封型式，有利于提高改造效果，提高机组性能的，并兼顾降低改造成本。

另外，能否在某部位采用某种汽封型式也可能受到机组该部位结构的制约。

指在制定汽封改造方案时，应对运行过程中汽缸和转子变形及对汽封径向间隙及轴向距离的影响予以考虑。

适应机组存在的特殊问题,汽封引起的气流激振，优先考虑使用蜂窝汽封或者带反涡流导叶的汽封。

启动时振动大的机组，优先选择可调汽封。

在圆周方向汽封磨损不均匀，对各方向上汽封间隙调整采用不同的控制指标。

汽封改造方案论证,改造方案实例,国内某电厂350MW机组汽封改造方案,美国Turbocare公司资料中介绍改造方案,将不同厂家、多种型式的汽封应用在这台机组的汽封改造中,将同一厂家的4种汽封（传统汽封、叶顶刷式汽封、自调整汽封及自调整刷式汽封）应用在同一台机组高中压缸汽封改造中,汽封改造效果预估方法,调研类比法,热力计算法,查阅手册法,通过对比已有的同类型机组的汽封改造效果，预估本次汽封改造效果。

进行调研时，法应注意以下几个问题：

对汽封效果的客观分析评价对机组型式和适用性的考虑取得完整的运行数据除使用效果外，还应注意汽封使用中容易出现的问题,指利用一定的计算模型直接计算汽封改造的预期收益。

目前主要有以下几种方法：

全三维CFD计算。

目前主要应用于通流部分优化设计以及汽封设计和优化，很少用于汽封改造效果预估，技术难度大、成本高。

通流部分热力计算。

计算准确性很大程度上依赖于损失模型及经验系数的设定。

TPRI软件及算例（自主软件+测绘数据）热力系统变工况。

即通过变工况计算确定缸效率变化及轴封漏汽量变化等对热耗率及煤耗的影响。

指利用经验数据，通过查阅手册计算汽封改造收益。

通常用给定部位的汽封间隙每降低单位长度所对应的经济性指标的变化来进行快捷计算。

美国TurboCare公司收益估算的例子,汽封改造效益预估应关注的几个问题,准确预估改造效果比较困难,对比的基准的确定,对比的时间段的确定,4、汽封改造效果评价,理论计算评估法,性能试验评价方法,间接判断评估法,指根据汽封改造前后汽封间隙的变化，结合汽封结构特点，按照一定的计算模型进行的改造效果评价方法。

目前在工程实践中，这种方法多用于汽封改造效果预估，很少用于对汽封改造效果的评价。

根据汽封改造前、后轴封母管的工作压力、温度，低压缸的自密封情况，轴加温升等运行参数或指标变化情况，判断经过大修或汽封改造前、后汽封工作状态的变化，来间接评估汽封改造的效果。

这种方法属于定性评估，在实际工程应用中有很大的局限性，难以做到定量的效果评价。

指采用汽轮机性能试验的方法，实际测试经过汽封改造前、后机组的状态，根据性能试验得到的汽轮机各主要参数和经济指标（热耗率、出力、各缸效率等）直接评价汽封改造效果。

这种方法是目前国内外广泛采用的方法。

国外汽封改造效果评价方法,美国汽封改造效果评价简介采用性能试验的方法来进行，对改造前后汽轮发电机组的出力、汽耗率、热耗率等进行对比测试，对汽封改造效果进行评价。

【例】一台18MW汽轮机的汽封改造在美国缅因州Wheelabrator-Sherman能源公司Sherman电站的一台18MW热电联产机组进行了可调整刷式汽封改造。

该电厂是wheelabratornvironmentalsystems的分支机构和Sherman电力公司的合作企业。

这家公司每年将26万吨的磨坊废弃物、林木废料转化为1亿3千万度电，供应给缅因公共事业公司，并为Sherman木材公司输送蒸汽。

本次改造范围包括：

（1）在1B调节级和第2-10压力级增加叶顶汽封；

（2）在第2，3压力级上安装可调式汽封；（3）在第4-13压力级安装可调整刷式汽封。

（4）将叶顶汽封调配到15mil（0.015”）间隙。

改造后，毛汽耗下降了3.35个百分点，修正后的汽轮机毛热耗下降了3.25个百分点，而毛发电量增加了3.41个百分点。

国外汽封改造效果评价方法,韩国汽封改造效果评价简介采用ASMEPTC6性试验标准进行全面性试验，除了对机组的功率、效率等总体指标进性测试和比较外，还对缸效率、高中压过桥汽封漏汽率等等进行分项测试和对比，这些工作都是由韩国电力研究院（KEPRI）来完成。

【列】保宁电厂2号汽轮机（Poryung#2）汽封改造效果,5.结束语,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，采用先进的新型汽封是十分必要的。

根据机组特性及实际状况，选择合适的汽封是汽封现代化改造的关键,欢迎批评指正，谢谢！