百萬級核電半速汽輪機(jī)低壓缸軸封碰磨問題研究

關(guān)運(yùn)生，劉思偉，鄭華兵，蘇志剛

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳 518124）

0 引言

某型號汽輪機(jī)自首臺首次低壓缸解體大修即發(fā)現(xiàn)其端部軸封底部汽封塊磨損嚴(yán)重，在后續(xù)同類型機(jī)組低壓缸全檢中均發(fā)現(xiàn)低壓軸封底部汽封塊磨損嚴(yán)重，確認(rèn)低壓軸封碰磨問題為該類型機(jī)組的共性問題。進(jìn)一步測量發(fā)現(xiàn)，冷態(tài)下磨損后的底部間隙為安裝標(biāo)準(zhǔn)的3 倍左右，達(dá)2.0 mm 左右。磨損后的汽封塊厚度與未磨損汽封塊厚度進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，底部最嚴(yán)重處汽封塊齒尖磨損量達(dá)1.4 mm。同時(shí)因軸封底部碰磨問題，導(dǎo)致多次啟機(jī)發(fā)生汽輪機(jī)振動問題，所以有必要對軸封碰磨的原因進(jìn)行分析、研究，給出改善措施。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡介

該型號半速汽輪機(jī)由一個(gè)高中壓缸和兩個(gè)（或3 個(gè)）低壓缸組成，其中低壓缸為內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)，外缸與冷凝器直接相連，內(nèi)缸直接支撐于汽機(jī)平臺基礎(chǔ)上，內(nèi)、外缸通過柔性密封連接。低壓軸承箱與低壓內(nèi)缸為一體結(jié)構(gòu)，低壓轉(zhuǎn)子支撐于內(nèi)缸兩端的軸承上。低壓缸端部軸封通過垂直法蘭與低壓內(nèi)缸兩端的排汽錐體垂直面相連接。低壓缸在垂直方向是以內(nèi)缸支撐平臺為膨脹死點(diǎn)進(jìn)行膨脹、收縮。低壓內(nèi)缸三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 軸封碰磨原因分析

圖1 低壓內(nèi)缸三維結(jié)構(gòu)

為研究低壓缸軸封碰磨問題，對機(jī)組狀態(tài)變化情況下軸封的變化情況進(jìn)行跟蹤，同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，對低壓內(nèi)缸進(jìn)行建模，并根據(jù)不同的機(jī)組狀態(tài)參數(shù)設(shè)定邊界條件，對軸封變形的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)低壓軸封的投運(yùn)對低壓內(nèi)缸排汽錐體進(jìn)行加熱，從而使排汽錐體受熱向上膨脹，進(jìn)而帶著軸封體向上移動，導(dǎo)致底部間隙變小，發(fā)生碰磨。

2.1 軸封從冷態(tài)到熱態(tài)變化的計(jì)算

對低壓缸投軸封后的排汽錐體溫度進(jìn)行測量，軸封投運(yùn)后通過傳熱對排汽錐體進(jìn)行加熱，達(dá)到穩(wěn)定后排汽錐體溫度分布如圖2 所示。測量低壓軸封投運(yùn)后汽缸排汽錐體溫度，結(jié)果見表1。

假設(shè)支撐臺板到軸封底部的排汽錐體溫度梯度按線性分布，根據(jù)測量數(shù)據(jù)擬合出排汽錐體溫升分布曲線如下：

其中，ΔT 表示排汽錐體溫升；H 表示排汽錐體相對于膨脹點(diǎn)高度位置；則內(nèi)缸排汽錐體軸封中心處向上膨脹量為：δ=通過計(jì)算可得排汽錐體受熱垂直向上的膨脹量為0.93 mm，而端部軸封是把合在排汽錐體上，所以會跟隨排汽錐體的向上膨脹而一起向上移動，低壓轉(zhuǎn)子是支撐在內(nèi)缸兩端的軸承上，軸封投運(yùn)過程中對軸承的溫度影響很小，軸承及轉(zhuǎn)子向上受熱膨脹量很小，因?yàn)檩S封上移量大，而轉(zhuǎn)子上移量很小，導(dǎo)致軸封底部間隙變小。軸封底部間隙安裝標(biāo)準(zhǔn)為（0.45～0.82）mm，正常安裝時(shí)按0.60 mm 左右控制，通過計(jì)算軸封底部會向上膨脹0.93 mm 以上，在此過程中軸封底部已經(jīng)與轉(zhuǎn)子碰上，發(fā)生摩擦，產(chǎn)生磨損。

圖2 低壓軸封與低壓內(nèi)缸尺寸

表1 軸封投運(yùn)后排汽錐體溫度測量

正常運(yùn)行時(shí)因?yàn)榈蛪焊着牌麥囟群艿?，對排汽錐體進(jìn)行冷卻，排汽錐體的膨脹量很小，恢復(fù)到冷態(tài)位置，軸封體隨排汽錐體一起恢復(fù)到冷態(tài)位置，但是在軸封投運(yùn)后的盤車狀態(tài)軸封底部汽封塊已發(fā)生磨損，所以會在檢修狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)汽封塊磨損且軸封底部間隙較安裝間隙增大很多。

2.2 啟停機(jī)過程軸封變化監(jiān)測數(shù)據(jù)

針對該型號半速汽輪機(jī)自投運(yùn)以來就存在低壓軸封磨損和軸封間隙變大的現(xiàn)象，為研究軸封碰磨的原因，在大修啟停機(jī)階段對不同機(jī)組的低壓軸封變化情況及變化過程進(jìn)行監(jiān)測（表2），并對產(chǎn)生軸封碰磨的原因進(jìn)行分析。

表2 各大修啟機(jī)過程軸封變化情況

通過各機(jī)組監(jiān)測的數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)軸封投運(yùn)后，隨著排汽錐體溫度的升高，軸封底部會有（0.73～1.25）mm 的上抬，當(dāng)機(jī)組沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)滿功率后，排汽錐體溫度降低，軸封底部基本恢復(fù)至冷態(tài)位置。

當(dāng)軸封投運(yùn)后，此時(shí)軸封供汽溫度較高，對軸封體進(jìn)行加熱，同時(shí)由于軸封體是通過法蘭連接在內(nèi)缸的排汽錐體上，軸封體通過傳熱和熱輻射對內(nèi)缸排汽錐體進(jìn)行加熱，而整個(gè)內(nèi)缸是通過下半的臺板支撐在16 m 基礎(chǔ)平臺上，排汽錐體受熱后會以支撐臺板為膨脹點(diǎn)向上膨脹，端部軸封把合在排汽錐體上，會跟隨排汽錐體一起向上移動，而低壓轉(zhuǎn)子是支撐在內(nèi)缸兩端的軸承上，軸封投運(yùn)過程中對軸承的溫度影響很小，軸承及轉(zhuǎn)子向上受熱膨脹量很小，因?yàn)檩S封上移量大，而轉(zhuǎn)子上移量很小，導(dǎo)致軸封底部間隙很小，沖轉(zhuǎn)過程很有可能發(fā)生碰磨。當(dāng)機(jī)組沖轉(zhuǎn)直到滿功率過程中，因?yàn)榈蛪号牌麥囟容^低，對內(nèi)缸排汽錐體進(jìn)行冷卻，排汽錐體的溫度降低到接近冷態(tài)水平，此時(shí)軸封又隨排汽錐體一起收縮到接近冷態(tài)位置。

2.3 軸封從冷態(tài)到熱態(tài)數(shù)值仿真計(jì)算

通過軸封數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，軸封體變形后底部間隙變小，為了進(jìn)一步研究低壓軸封變形的機(jī)理及可行的解決方案，并與現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，相互驗(yàn)證，對低壓軸封的變形及碰磨問題進(jìn)行建模，并進(jìn)行有限元分析、計(jì)算，得出低壓軸封發(fā)生碰磨的原因，并提出可行的改進(jìn)方案。

詳細(xì)計(jì)算分析了排汽錐體溫升分別為10 ℃，30 ℃和50 ℃時(shí)軸封的變形量。表3 給出了排汽錐體溫升分別為10 ℃，30 ℃和50 ℃時(shí)，軸封底部的上抬量。

由表3 可以看出，當(dāng)排汽錐體溫升分別為10 ℃，30 ℃和50 ℃時(shí)，軸封處變形趨勢基本一致，軸封整體上浮，頂部和底部上浮量基本相同，且溫升越大，變形量越大。軸封上抬量越大，當(dāng)排汽錐體溫升為50 ℃時(shí)，軸封底部模擬計(jì)算上抬量為1.15 mm 左右，與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。以U2 機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測的啟機(jī)不同階段數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出在不同階段軸封的變化趨勢?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)見表4。

表3 不同排汽錐體溫升下軸封底部上抬量模擬計(jì)算結(jié)果

表4 U2 機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測啟機(jī)過程排汽錐體溫度 ℃

從表4 中可以看出整個(gè)機(jī)組啟動過程中軸封溫度從35 ℃上升到100 ℃左右，并在軸封投運(yùn)后32 h 達(dá)到最大，之后穩(wěn)定在100 ℃左右。排汽錐體溫度在軸封投運(yùn)后有一個(gè)明顯的上升，從35 ℃一直上升到100 ℃左右。沖轉(zhuǎn)后排汽錐體溫度有逐漸下降到40 ℃左右。

根據(jù)U2 號機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測的不同狀態(tài)下排汽錐體溫度設(shè)置計(jì)算條件，對軸封的變化情況進(jìn)行模擬（模擬計(jì)算時(shí)未考慮排汽錐體在整個(gè)面上的溫度梯度分布，是按照整個(gè)排汽錐體為同一溫度進(jìn)行計(jì)算），給出低壓缸軸封在啟機(jī)過程不同狀態(tài)下的間隙變化情況。U2 號機(jī)組啟機(jī)過程不同狀態(tài)下的間隙變化情況如圖3 所示。

圖3 U2 號機(jī)組啟機(jī)過程不同狀態(tài)下的間隙變化情況

從計(jì)算結(jié)果可看出，機(jī)組啟動過程中，軸封底部間隙先減小后增大，而頂部間隙先增大后減小。這一變化規(guī)律與軸封投運(yùn)后軸封水平中心位置顯著高于軸封投運(yùn)前和100%功率時(shí)又降至冷態(tài)位置相符。軸封水平間隙變化量不大，在水平方向上發(fā)生碰摩的可能性較低。軸封投運(yùn)后，軸封底部間隙明顯減小。軸封投運(yùn)后0.5 h 相對于軸封投運(yùn)前，底部間隙減小了1.365 8 mm。整個(gè)軸封投運(yùn)過程中，底部間隙的減小量接近1.8 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底部間隙安裝參考值0.54 mm。所以軸封底部在軸封投運(yùn)后到滿功率過程中會發(fā)生碰摩，且發(fā)生碰磨的主要階段是軸封投運(yùn)后至機(jī)組沖轉(zhuǎn)至空載狀態(tài)，所以在機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生低壓軸封碰磨導(dǎo)致的振動問題。

2.4 結(jié)論

基于上述理論計(jì)算、運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，認(rèn)為因?yàn)樵擃愋推啓C(jī)低壓軸封與內(nèi)缸排汽錐體是直接通過法蘭把合連接，無膨脹補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。而低壓軸封投運(yùn)后，軸封蒸汽溫度較高，能直接對內(nèi)缸排汽錐體進(jìn)行加熱，在盤車、啟機(jī)階段容易發(fā)生因排汽錐體溫度高而向上膨脹，導(dǎo)致軸封體上移變形，底部間隙變小而產(chǎn)生動靜摩擦問題。排汽錐體溫度升高是導(dǎo)致軸封體變形和產(chǎn)生動靜碰磨的根本原因。

3 改善措施

因?yàn)檩S封磨損的主要原因是排汽錐體的溫度升高、膨脹導(dǎo)致，所以避免軸封磨損的根本手段就是控制排汽錐體溫度。

為驗(yàn)證降低排汽錐體溫度對軸封上抬改善的效果，數(shù)值模擬計(jì)算方法，分別計(jì)算低壓內(nèi)缸排汽錐體溫度較最高溫度降低10 ℃，20 ℃和30 ℃時(shí)，低壓軸封間隙的變化量。

從表5 計(jì)算結(jié)果可看出，與排汽錐體未降溫時(shí)軸封間隙相比，當(dāng)對排汽錐體進(jìn)行降溫時(shí)，軸封整體呈下沉趨勢，且降溫幅度越大，軸封下沉量越大，改善效果越明顯。當(dāng)排汽錐體降溫10 ℃和20 ℃時(shí)，軸封頂部平均下沉0.287 6 mm（10 ℃）、0.575 2 mm（20 ℃），底部平均下沉0.241 5 mm（10 ℃）、0.483 1 mm（20 ℃），底部間隙有改善，但相比較于軸封的原始上抬量（0.73～1.25）mm，軸封底部還是會發(fā)生摩擦。當(dāng)排汽錐體降溫30 ℃時(shí)，軸封整體下沉量較大，頂部平均下沉0.826 7 mm，底部平均下沉0.724 6 mm。相比較軸封的原始上抬量（0.73～1.25）mm，底部的安裝冷態(tài)間隙0.60 mm 已經(jīng)能保證軸封與轉(zhuǎn)子有間隙，軸封碰摩得到了改善。通過對排汽錐體分別降溫10 ℃，20 ℃和30 ℃的計(jì)算分析可知，通過降低排汽錐體的溫度可以有效地緩解軸封的碰摩故障。

表5 排汽錐體降溫后軸封間隙模擬計(jì)算結(jié)果

由于現(xiàn)場條件限制，軸封投運(yùn)后降低內(nèi)缸排汽錐體的溫度能采取的措施較少，現(xiàn)在是通過修改低壓噴淋水的投運(yùn)邏輯來實(shí)現(xiàn)排汽錐體降溫。原噴淋水投運(yùn)邏輯為機(jī)組啟機(jī)掛閘沖轉(zhuǎn)時(shí)投運(yùn)，現(xiàn)修改為軸封投運(yùn)后即投運(yùn)噴淋水，對排汽錐體進(jìn)行降溫。

在低壓缸噴淋水投運(yùn)邏輯修改后，對排汽錐體溫度進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)軸封投運(yùn)后排汽錐體最高溫度穩(wěn)定在81 ℃左右，較之前未投噴淋水的最高溫度103 ℃降低了22 ℃左右，較要求的30 ℃還有些偏差，在實(shí)際檢修過程中低壓軸封的底部間隙基本控制在1.0 mm 以上，較標(biāo)準(zhǔn)也增大了0.40 mm 以上，彌補(bǔ)了降溫不足帶來的碰磨風(fēng)險(xiǎn)，避免了低壓軸封的碰磨。

4 結(jié)束語

通過理論計(jì)算、運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，認(rèn)為某類型汽輪機(jī)低壓軸封因結(jié)構(gòu)形式原因，低壓軸封投運(yùn)后，排汽錐體溫度升高是導(dǎo)致軸封體變形和產(chǎn)生動靜碰磨的根本原因。同時(shí)通過數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果證明軸封投運(yùn)后對排汽錐體進(jìn)行降溫是改善軸封碰磨的主要手段，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況提出了修改低壓缸噴淋水投運(yùn)邏輯來實(shí)現(xiàn)軸封投運(yùn)后排汽錐體降溫、避免軸封碰磨的方法，為該類型汽輪機(jī)的此類共性問題提供了處理方法，也為其他類型汽輪機(jī)同類問題的處理提供了借鑒。