型汽轮机轴封及调速系统的优化研究Word格式.docx

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那么原来的那种“节流膨胀”密封方式得不到保证，大量蒸汽更会泄漏出来。

c）齿与轴发生磨擦时，瞬间产生大量的热。

在汽封长齿对应的轴上凹槽处，热量来不及散发，该处直径又小，就有可能造成轴的局部过热而导致大轴弯曲。

危胁机组的安全。

d）由于前轴承箱与高压轴封之间的距离很小，大量高温轴封漏汽通过油挡缝隙进入轴承箱内，然后顺回油管在流动中凝结成水而进入透平油中，透平油被加温乳化，油膜稳定性极差，破坏动态润滑效果，加剧轴的振动。

并可导致钨金瓦快速磨损甚至烧毁，轴子下沉。

从而加剧汽封齿的磨损。

造成汽封泄漏与磨损的恶性循环加剧。

e）汽轮机组的调速系统和润滑用的透平油系统是一个系统，如果透平油被乳化后，调速系统卡涩，调整系统的准确性受到冲击。

造成负何摆动，机组的安全性受到极大威胁。

f）汽封间隙的不均匀性和环形腔结构，随着蒸汽泄露量的增加所产生的汽流激振能量也大，对汽轮机高压转子产生的汽流激振一旦发生很难消除，危及机组的安全运行。

解决汽轮机前汽封漏泄，提高汽轮机透平油油质水平，保证机组安全可靠运行，成为机组安全运行的当务之急。

2、同步器调整迟缓

1#汽轮机同步器传动系统由摩擦片实现，传动距离小增减负荷迟缓率增大，经常造成同步器无法正常投入，增强了运行人员的劳动强度。

二、技术研究路线

对于汽轮机本身来讲，减少蒸汽泄漏和提高蒸汽做功质量是其中的两项重要目标。

汽封是汽轮机关键零部件之一，其性能的优劣，不仅影响机组的经济性，而且影响机组可靠性，已越来越受到人们的关注。

从保证机组经济性而言，要求漏汽量越少越好，也即汽封间隙越小越好；

从保证机组运行安全而言，要求在各种状态下，汽封不和转子发生摩擦。

1、迷宫式汽封的工作原理

一定压力的蒸汽流经迷宫式汽封时，必须依次经过汽封齿尖与轴凸肩所形成的狭小间隙C，如图1所示。

当经过第一间隙间C，蒸汽产生节流作用，压力由P1降到P2。

汽流加速。

随后高速源流进入小室，发生撞击和涡流等现象使速度消失，动能转变热能。

当蒸汽经过第二个汽封间隙时，又重复上述过程，压力由P1降至P2。

就这样，蒸汽流经最后一气封齿，蒸汽压力降至P末，已与大气压力相差很小。

所以，在一定的压差下，汽封齿越多，每个齿前后的压差就越小，漏汽量也越少，当汽封齿数足够多时，漏汽量为零。

图1迷宫式汽封汽流压力趋势图

2、理论与运行实践分析

理论分析与实践证明，梳齿式汽封要达到最佳的密封效果，必须做到以下几点：

汽封齿尖越尖越好；

汽封齿距越大越好；

汽封与转子的间隙越小越好。

前两条由于空间位置及加工工艺等因素的影响现实中很难做到，后一条随着密封间隙的逐渐缩小，轴的自激振动越来越大，激振频率接近一阶频率。

过大的振动破坏了已调节好的汽封间隙，使泄漏增大。

轴的自激力产生原因是由于气流进入梳齿密封的密封腔室时，不仅以很大的轴向速度通过各腔，而且还具有较大的周向速度分量，在各腔中形成螺旋形的流动方式；

另外，转子与密封体在周向上的间隙不一样（转子在工作时的涡动运动，使周向间隙随时变化）。

由于密封腔室中的气流的旋转，使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间间隙变化不完全对应，最高压力点滞后于密封腔最小间隙一定角度。

这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏置方向相垂直的切向力，该切向力将激励转子产生涡动（见图2）。

图2梳齿密封中的汽流激振

当激励力达到或超过一定值时，就会使转子产生强烈的振动。

正是由于这个原因，故设计梳齿密封时往往采取多加密封圈数及加大密封间隙的方法。

通常汽封间隙调节到0.4－0.6mm。

但实际上机组很难达到这种间隙指标,运行一段时间后汽封磨损严重.汽封间隙加大，导致泄汽（气）量加大，降低机组效率。

3、拟采用技术路线

综上所述，机组汽封漏气现象普遍存在，致使机组经济效益差，热耗值较高，在很大程度造成能源的浪费。

因此，运用现代先进的密封技术对以上几个关键地方进行优化配置已势在必行。

从综合经济性和安全性角度出发，汽轮机汽封优化配置方案如下：

a.汽封齿材料，高温区采用铁素体型耐热不锈钢，低温区采用铜质材料。

b.汽封齿形状，采用封汽效果好的尖齿汽封圈。

c.合理设置汽封圈和汽封体的配合间隙，防止汽封圈卡涩。

d.采用螺旋压缩弹簧，不通汽，使得支反力最佳并保持恒定。

近年来，随着汽轮机设计制造技术的不断提高以及国外先进技术的引进，已出现了可磨汽封、内压自动开关式汽封（可调汽封）、蜂窝汽封等新型的汽封结构型式，改善了汽封的性能，为机组的安全经济运行提供了新的保障。

（1）内压自动开关式汽封

弹簧使汽封圈张开，压差使汽封圈关闭。

机组在启停阶段，由于压差小，汽封圈在弹簧力作用下，处于开启状态，汽封间隙较大，带上负荷后，由于压差增大，克服弹簧力使汽封圈关闭。

该汽封的优点是，在机组启停阶段，间隙变大，不会发生动静摩擦，带上负荷后，间隙又恢复到设计值。

不足之处是，由于启停阶段漏汽间隙很大，使得胀差变大；

特别是当机组甩负荷维持空转时，胀差更难控制。

另外弹簧长期处于压缩状态，有可能产生塑性变形而使弹性力消失。

（2）可磨轴封

汽封圈用特殊材料制造，允许动静部分发生摩擦。

安装时汽封间隙较小或为零，启动时在某一转速下（500～800r/min）磨汽封，待间隙磨好后（从振动幅值来判断），再升速并网带负荷。

这种汽封便于安装并且可靠性高，主要问题是成本高，且每次大修都要更换。

（3）蜂窝（或刷子）汽封

这种汽封是根据蜂窝状阻汽原理设计的，采用软钢丝压制而成，也允许和转子发生轻度摩擦。

该汽封主要用于自由叶片顶部汽封及轴向密封，封汽效果较好。

其不足之处是易于结垢。

分公司技术人员经过充分市场调研，一致认为蜂窝式汽封能较好地解决汽轮机高压前汽封的漏泄问题。

蜂窝汽封的内表面是由正六面体形状的蜂窝孔规则排列而成的蜂窝带构成，其材质是由厚度仅为0.05mm-0.10mm的海斯特镍基耐高温薄板（Hastelloy-x）在特殊成型设备上制成的正六面体网格型材，再经特殊焊接设备焊接而成的，根据密封环体尺寸制成的蜂窝带在真空钎炉中通过真空钎焊技术焊接在母体密封环上，而形成了蜂窝式密封。

其工作原理是当蒸汽漏入蜂窝孔时，汽体立即充满蜂窝孔，能量被蜂窝芯格吸收，但该能量在蜂窝孔内又不能储存，其对迎头漏过来的汽流会产生阻碍作用，在蜂窝孔端部与轴径表面的缝隙间，由主轴高速旋转而产生的一层汽膜直接阻止汽流的轴向流动。

以上两种阻力相叠加产生了较强的阻尼，从而达到了良好的密封效果。

蜂窝式迷宫汽封结构模式如图3示：

1.FW蜂窝式汽封　2.原汽封套3.退让弹簧　　4.蜂窝带

图3迷宫式蜂窝汽封结构示意图

三、可行性分析

蜂窝密封的应用较早，在国外已成功在燃气轮机、汽轮机、空气压缩机、小透平机、飞机发动机等多项领域应用。

在我国蜂窝密封较早应用于军品上，在民品上应用只是近几年的事。

用在汽轮机上最早的是美国西屋公司，它用于低压缸的末级叶顶密封，主要是为了除湿。

1、蜂窝式汽封的技术要点分析

迷宫式蜂窝汽封的密封机理，主要有三大因素构成。

其一，进到迷宫腔室的汽体首先充满蜂窝带的无数个芯格小孔中，因蜂窝带芯格的根部是与母体汽封环之内表面利用真空钎焊技术融焊在一起的，汽体没有去处，那无数个芯格孔中的汽体必然对迎头过来的汽体产生阻滞作用，这就大大减缓了汽体沿轴向漏泄的速度，因此说蜂窝式汽封属于能量耗散型结构。

其二，由蜂窝带与高齿组成的迷宫式形状，当然多级节流膨胀的阻尼效果也多少会产生出来，对阻止汽体沿轴向泄漏也起到一定的作用。

第三，既然从无数个蜂窝芯格孔中出来的蒸汽迎头抵碰从高压侧漏过来的汽体，那在碰撞的界面上必然有相当数量处于滞留状态的速度很小的一层汽体，由于汽体粘性的作用，在转子高速旋转时，紧贴轴径表面的这一层汽体就形成一层具有一定刚度的汽膜层，这个汽膜层对阻止汽体沿轴向运动也能起到相当的作用。

以上三种阻滞力量的综合作用的结果，就有效地阻止了汽体沿轴向间隙的漏泄。

所以迷宫式蜂窝汽封具有良好的封严性能。

2、蜂窝式密封与原迷宫式汽封效果的理论比较

　　从理论设计方面讲，汽轮机梳齿式汽封的漏气量可根据下列公式计算得到：

1）梳齿式汽封的漏泄量可由公式①计算；

…………………①

2）蜂窝式汽封的漏泄量可由公式②计算；

…………………②

式中：

△G——汽封蒸汽漏气量，

A——汽封内的面积

Z——汽封齿数

——进入轴封前蒸汽的压力

——进入轴封前蒸汽的比容

——为蒸汽周向运动阻尼系数

g——9.81m/s2

——下级蜂窝内的蒸汽对上级泄漏的蒸汽的扩容的阻尼系数

——4~9（试验值）

3）两种汽封的漏汽比较可有公式③计算；

蜂窝式/梳齿式

…………………③

从以上的分析及理论公式可看出，如果整个机组的密封方式全部改成蜂窝式密封的话,它的漏汽量将减少30％－40％。

而整个汽轮机组由于漏汽所损失的效率为1％－2％，由此推算蜂窝式密封的整机改造将使机组效率提高0.3％－0.5％。

通过对蜂窝汽封密封机理的研究及密封效果的理论计算，对汽轮机轴封系统进行改造，将原梳齿式汽封改造为蜂窝式汽封，效果是显而易见的。

四、方案实施

本方案仅对1#机高压前汽封进行改造，由分公司技术人员与汽封厂家及机组大修单位共同完成。

本项目利用1#机组大修期间完成蜂窝汽封的设计、加工、安装。

1、方案设计

本项目设计方案是不改变轴径的形状和原汽封套的结构。

仅让蜂窝式汽封环的结构来适应轴径上凸台和凹窝的形状及原汽封套的滑道式结构。

使现场没有其他改造工作量，十分方便，简便易行，有利于在机组大修期间实施改造方案。

2、技术改进

根据FW蜂窝式汽封的结构特点，在每段汽封弧段两端部各设计一个装调整块的豁口，用螺钉固定调整块，在调整块下面放置厚度不等的不锈钢调整垫片，用以精确调整径向间隙。

现场的操作表演证明，将原不可调汽封改为可调形式具有调整精度高、工作效率快的优点。

这样就消除了不可调汽封传统的加工调整办法，在工艺技术上是一大进步。

图3可调式蜂窝式轴端（隔板）汽封

3、间隙调整

蜂窝式汽封的径向间隙（蜂窝带顶部距离轴径表面而不是高齿距离轴径表面的间隙）调整为0.40－0.50mm之间，比原来梳齿式迷宫汽封的径向间隙0.65－0.75mm要小得多（是指高齿尖处离轴径表面的间隙），膨胀间隙基本与梳齿式的相同。

4、增强机组调整灵敏度，保证安全生产

针对同步器传动距离小、摩擦片打滑导致负荷调整迟缓且波动大的现状，在调研汽轮机厂家的基础上分公司科研人员为保证机组的可靠性，充分考虑机组运行安全性决定更换由齿轮连接的新型同步器。

※同步器型号：

J32.03.202厂家：

武汉汽轮机厂

※同步器配备电机型号：

110SZ52C直流电压：

220V

功率：

185W电流：

1.2A转速：

1500r/min

该同步器由齿轮连接，同时对负荷上限进行设定，有效避免了上述缺陷，且保证了负荷调节的精确度、稳定性。

五、效益分析

1、经济效益

1）提高机组热力性能

为了验证将机组的高压梳齿式汽封改造成蜂窝式汽封后的机组热力性能的变化，我们在机组大修前后进行了热力试验，现将试验数据列表如下

时间

发电量kw.h

耗汽量

T

汽耗Kg/kw.h

主汽温

℃

主汽压

MPa

真空

给水温度℃

06年10月12~18日

2354940

11795

5.0086

468

4.85

-0.094

154

06年11月15~21日

2352000

11746

4.9966

-0.095

155

从表上不难看出，机组大修后的汽耗比大修前降低了0.012kg/kwh，其中此数字由二部分构成。

一是由凝汽器真空提高产生的效果，二是由高压轴端汽封改为可调整迷宫式蜂窝汽封的功劳。

通过改造，从大修前后的热力性能试验数据不难看出，机组改造后比大修前降低了0.012kg/kwh，我公司年发电量为约2亿kwh，按上述节能效益计算，一台机组每年可节约标准煤705多吨，每吨标准煤价格按300元计算，可获得直接经济效益21万元。

可是一台机组改造成蜂窝汽封的投资仅为该节能效益的四分之一。

就投入产出比而言，蜂窝式密封在火电厂的汽轮机组上普遍推广应用具有巨大的经济意义。

2）减少透平油补油量

通过改造，有效地避免了大量高温轴封漏汽进入轴承箱内加温乳化透平油的现象，改造后每年可节省汽轮机油费用2.59万元（2桶*1080元/桶*12个月）。

2、安全效益

1）随转子表面高速转动的气流在蜂窝带表面形成涡流。

该涡流是消除使转子产生振动的切向力的重要因素，其阻尼作用可阻止转子发生低频激振。

2）蜂窝带的结构模式和材料质地软的特点，即使发生磨碰，也不会使转子表面遭受磨损，其摩擦力也不足以使转子弯曲变形，蜂窝带的被动安全性好。

3）蜂窝带与汽封环的钎焊温度为1050℃ 

。

这种工艺使蜂窝带与汽封环之间的结合力很强，蜂窝带永不脱落，蜂窝带的主动安全性也好。

4）蜂窝汽封的蜂窝带本身非常耐磨，运行寿命长，能够长期保持密封间隙，密封效果有长久性。

5）安装不复杂，安全可靠。

3、推广应用前景

蜂窝式汽封较传统梳齿式汽封有更高的密封性及安全可靠性，该项目的成功完成，在华聚能源其他分公司乃至社会具有较好的推广应用前景。