蜂窩汽封在6MW抽凝式汽輪機(jī)軸端汽封上的應(yīng)用

吳劍恒，蘇志祥

（福建省石獅熱電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362700）

汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)可在轉(zhuǎn)子軸端形成蒸汽密封，防止高壓部分汽缸內(nèi)的蒸汽外漏，可造成軸承油內(nèi)進(jìn)水和蒸汽能量損失，同時(shí)防止外界空氣順軸封漏進(jìn)真空部分汽缸，影響機(jī)組的真空以及運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

軸封漏汽造成的損失是汽輪機(jī)效率較低的第二大因素。蒸汽的泄漏不僅損失熱能和介質(zhì)，還會(huì)大大降低凝汽器真空，使汽輪機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性下降。

一、梳齒式迷宮汽封的原理及其存在問題

1.梳齒式迷宮汽封的工作原理

某熱電廠兩臺(tái)C6-35/8型抽凝式汽輪機(jī)軸端汽封設(shè)計(jì)采用非接觸式的梳齒式迷宮汽封，其工作原理為：一定壓力的蒸汽流經(jīng)梳齒式迷宮汽封時(shí)，必須依次經(jīng)過汽封蓖齒尖與軸凸肩所形成的狹小間隙，如圖1所示。當(dāng)經(jīng)過第一個(gè)間隙時(shí)，蒸汽產(chǎn)生節(jié)流作用，壓力由p1降到p2，汽流加速，隨后高速進(jìn)入小室，發(fā)生撞擊和渦流等現(xiàn)象使速度消失，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋．?dāng)蒸汽過第二個(gè)間隙時(shí)，又重復(fù)上述過程，壓力由p2降到p3。就這樣，蒸汽流經(jīng)過最后一個(gè)汽封蓖齒時(shí)，壓力降至p，已與大氣壓力相差很小。所以，在一定的壓差下，汽封齒越多，每個(gè)蓖齒前后的壓差就越小，漏汽量也越少，當(dāng)汽封蓖齒數(shù)量足夠多時(shí)，漏汽量為零。但是，由于齒間為環(huán)形腔室，環(huán)向流動(dòng)大大減少了渦流降速的效果，因而泄漏量大，而且此結(jié)構(gòu)不具有可磨性，蓖齒磨損后，間隙變大，漏汽損失增加，機(jī)組效率降低。

2.梳齒式迷宮汽封存在問題

由于汽輪機(jī)在啟動(dòng)過程中動(dòng)靜部分中心的相對(duì)位置發(fā)生變化，以及汽流進(jìn)入蓖齒密封的密封腔室時(shí)發(fā)生軸的自激振動(dòng)，軸封蓖齒磨損非常嚴(yán)重。在1號(hào)機(jī)組大修期間進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子前軸封處的蓖齒高度已經(jīng)磨短了0.55～0.85mm，后軸封處的蓖齒高度已磨短了0.65～0.75mm(蓖齒高度設(shè)計(jì)值為4.85mm)。軸封蓖齒的磨損導(dǎo)致高壓側(cè)軸端汽封處的高壓高溫蒸汽漏入到前軸承，惡化了軸承工作條件，并且造成潤滑油乳化變質(zhì)，危及機(jī)組安全運(yùn)行；軸封蓖齒的磨損還導(dǎo)致低壓側(cè)軸端汽封嚴(yán)密性下降，大量氣體漏入排汽缸，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性，使機(jī)組啟動(dòng)抽真空時(shí)間延長、凝汽器實(shí)際運(yùn)行平均真空度偏低，降低了機(jī)組出力和熱經(jīng)濟(jì)性。

圖1 迷宮式汽封原理圖

二、蜂窩汽封的原理及其特點(diǎn)

為徹底解決梳齒迷宮密封漏汽，消除機(jī)組的安全隱患，提高機(jī)組的效率，決定在保留原有的梳齒結(jié)構(gòu)和汽密性基礎(chǔ)上，采用目前比較先進(jìn)的蜂窩汽封進(jìn)行技術(shù)改造。這樣不僅可保留梳齒密封節(jié)流降壓的特點(diǎn)，還可以充分發(fā)揮蜂窩帶多級(jí)密封和寬面密封的結(jié)構(gòu)特性，提高密封性能，加強(qiáng)汽輪機(jī)軸端的阻漏效果。

1.蜂窩汽封的原理

蜂窩密封原理主要是利用熱力學(xué)磨阻效應(yīng)。當(dāng)汽流進(jìn)入蜂窩帶，由于蜂窩網(wǎng)格的作用，氣體在每個(gè)蜂窩網(wǎng)格內(nèi)形成渦流，產(chǎn)生渦流阻尼，對(duì)轉(zhuǎn)子和靜子之間的汽流產(chǎn)生阻礙，使汽流方向發(fā)生改變，汽流的動(dòng)能降低并因磨阻而轉(zhuǎn)換為熱能，氣體在蜂窩內(nèi)壓力劇降到很小值，泄漏量減小，從而達(dá)到密封效果。

2.蜂窩汽封的優(yōu)點(diǎn)

與梳齒式迷宮密封比較，蜂窩汽封具有以下優(yōu)點(diǎn)：①蜂窩封嚴(yán)面是材質(zhì)柔軟的正六角形蜂窩網(wǎng)格，具有可磨耗的特點(diǎn)，如發(fā)生動(dòng)靜碰撞也不會(huì)損傷葉片或轉(zhuǎn)子軸，因而安全性好。②蜂窩的特性決定其耐磨，使用壽命長。③蜂窩封嚴(yán)的阻尼特性決定其封嚴(yán)效果好，在相同的汽封間隙下，泄漏量比傳統(tǒng)的梳齒迷宮密封降低30%～70%。④產(chǎn)生的蒸汽阻尼相當(dāng)于一層汽墊，可避免氣流激振和其他引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的振動(dòng)。⑤具有除濕等特殊功能。

三、蜂窩汽封的技術(shù)要點(diǎn)

1.軸端汽封改造的原則和方案

軸端汽封的改造原則：不拆除軸上的蓖齒，在保留原有梳齒結(jié)構(gòu)和汽密性的基礎(chǔ)上，在汽封環(huán)上配以蜂窩汽封。汽封環(huán)座與齒為同體加工，蜂窩與篦齒的間隙為0.20～0.25mm。

軸端汽封的改造方案：①高壓端軸封采用高低蜂窩與梳齒迷宮封嚴(yán)相結(jié)合的方法，保留原軸端汽封環(huán)兩端上插入齒與蓖齒，汽封環(huán)用高低蜂窩相結(jié)合，3.2mm高的低蜂窩鑲?cè)肫猸h(huán)座部分，原汽封環(huán)上的齒用寬1.6mm的高蜂窩代替，見圖2。這種復(fù)式結(jié)構(gòu)保留汽封環(huán)的兩端插入齒與蓖齒，使汽封具有梳齒迷宮封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，而且加入蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，使得汽封效果優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)。②低壓端軸封采用高蓖齒低蜂窩汽封，見圖3。保留原有的梳齒結(jié)構(gòu)，在汽封環(huán)上配以低蜂窩。這樣，不拆除軸和汽封環(huán)上的蓖齒，在保留原有氣密性的條件下，增加了蜂窩汽封，使得氣密性在原有基礎(chǔ)上提高。汽封環(huán)座與蓖齒為同體加工，蓖齒的根部寬度為1.0mm，頂部寬度不小于0.60mm，最頂端寬度為0.3mm。

2．蜂窩汽封的設(shè)計(jì)和制造

（1）圖紙尺寸。依據(jù)原汽輪機(jī)的軸端汽封圖紙尺寸以及所確定的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)蜂窩汽封環(huán)圖紙，并根據(jù)圖紙加工制造蜂窩汽封代替原有的梳齒式汽封。

（2）材料。蜂窩汽封環(huán)分為汽封環(huán)座及蜂窩帶兩部分，環(huán)座材料選用15CrMo，蜂窩帶材料選用進(jìn)口的鎳基高溫合金海斯特 (HASTELLOYX，δ=0.076mm)箔材，蓖齒則選用硬度低、耐磨損的鐵素體。

（3）蜂窩芯格形狀及規(guī)格：蜂窩的形狀為正六角形。蜂窩的名義尺寸為內(nèi)切圓直徑1.6mm，蜂窩帶高度為3.2mm左右。

（4）環(huán)座加工。根據(jù)原汽封環(huán)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)蜂窩汽封環(huán)，環(huán)座的相關(guān)尺寸應(yīng)與原汽封環(huán)尺寸完全一致 (如外徑、環(huán)座寬度、調(diào)整塊安裝位置等)。

（5） 蜂窩帶的釬焊。蜂窩帶與環(huán)座之間運(yùn)用專用焊接設(shè)備，采用特殊焊接工藝進(jìn)行釬焊，焊合率應(yīng)在85%以上。

（6） 焊后加工：蜂窩釬焊后，按要求利用線切割將汽封環(huán)進(jìn)行分?jǐn)唷?/p>

由于改造重點(diǎn)是根據(jù)轉(zhuǎn)子上篦齒的磨損情況配做蜂窩汽封，并且不清楚篦齒的磨損情況，廠家先對(duì)汽封環(huán)座進(jìn)行粗加工，待利用機(jī)組大修期間技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行精加工，根據(jù)篦齒磨損量配車蜂窩釬焊面，見圖4。

為方便蜂窩與篦齒間隙過大時(shí)的間隙調(diào)整，在汽封環(huán)座的定位面根部加工一個(gè)R0.3mm的圓弧槽，見圖5。

3．蜂窩汽封的安裝

改造時(shí)，高壓端軸封安裝六圈高低蜂窩汽封 (見圖6)，其中外側(cè)兩圈汽封與內(nèi)側(cè)汽封之間形成充汽和抽汽密封兩個(gè)腔室，目的是防止蒸汽外漏、保護(hù)油質(zhì)以及阻止封汽氣體進(jìn)入抽汽側(cè)；其余四圈發(fā)揮節(jié)流降壓作用和保證抽汽壓力，達(dá)到更好的密封效果。低壓端軸封安裝三圈高篦齒低蜂窩汽封，目的是有效地阻止軸封供汽漏入汽缸，維持軸封供汽腔的汽壓平穩(wěn)，防止外界空氣進(jìn)入抽汽腔和軸封供汽進(jìn)入抽汽腔，并避免軸向位移所造成的摩擦。

由于蜂窩芯易變形，在安裝時(shí)應(yīng)特別注意防止磕碰。間隙調(diào)整的方法與普通疏齒形汽封相同，并將蜂窩與蓖齒間隙由原來的0.4mm調(diào)整到不大于0.2mm。

四、蜂窩汽封的應(yīng)用效果

改造后1號(hào)汽輪機(jī)軸封漏汽明顯減少，按減少漏汽0.6t/h計(jì)算(軸封漏汽量設(shè)計(jì)值為1.6t/h)，機(jī)組的發(fā)電能力可以增加125kW，每年可多發(fā)電975MW·h，提高了機(jī)組的真空度1.0kPa，機(jī)組因此每年可節(jié)約標(biāo)煤77.5t，該改造項(xiàng)目還減小了維修費(fèi)用和工作量。

根據(jù)1號(hào)機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)2號(hào)汽輪機(jī)軸封進(jìn)行同樣的改造，2號(hào)汽輪機(jī)軸封改造后可減少漏汽0.9t/h以上，每年可多發(fā)電1 463MW·h，同時(shí)節(jié)約標(biāo)煤116t。

綜上所述，改造后兩臺(tái)6MW抽凝式汽輪機(jī)每年可節(jié)約標(biāo)煤1 047t，減少SO2排放121.1t，減少NOX排放76.1t，減少粉塵排放773.2t，減少CO2排放14 516.6t。

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