蜂窩密封技術(shù)在汽輪發(fā)電機(jī)組改造中的應(yīng)用

王玉國

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司設(shè)備能源部，河北 張家口 075100）

0 引言

設(shè)備能源部門中的汽輪發(fā)電機(jī)組采用迷宮式和鑲嵌齒片的密封模式，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，它的前軸封磨損越發(fā)劇烈，并發(fā)生了相當(dāng)嚴(yán)重的漏氣，這種漏氣會導(dǎo)致軸承磨損，為了解決這一問題，不得不將風(fēng)機(jī)安放在合適的位置，這使得該處溫度高，崗位人員無法對前軸承進(jìn)行正常點(diǎn)檢。而4#汽輪發(fā)電機(jī)在進(jìn)行蜂窩密封改造后，有效阻止了蒸汽的對外泄漏，減少了耗汽，保證了機(jī)組的真空度。

1 立項(xiàng)背景

設(shè)備能源部發(fā)電機(jī)組的梳齒型密封結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，其存在以下3 種弊端。

圖1 梳齒式密封結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 密封性差

汽輪機(jī)在啟機(jī)過程中，一系列的問題會導(dǎo)致磨損，并最終導(dǎo)致密封效果變差，而密封效果變差或失去了密封的作用，會導(dǎo)致機(jī)組效率降低、油中帶水和真空難保等問題發(fā)生。

1.2 易引起工程故障

起停機(jī)過程中，由于脹差增大，溫度和長度在軸加熱段都得到了增長，軸向長度（軸的）也得到了增大，同時(shí)增大的還有膨脹差，軸上的凸臺或嵌齒件與軸封短齒發(fā)生相對位移時(shí)，會造成一些工程故障現(xiàn)象。如果壓蓋的長齒與軸上的槽摩擦，可能導(dǎo)致軸局部過熱、大軸彎曲，機(jī)組的安全就會受到嚴(yán)重威脅。

1.3 易引起氣流激振

梳狀密封環(huán)腔的不均勻性是汽流激勵(lì)的來源。目前的技術(shù)很難解決可能會發(fā)生的轉(zhuǎn)子氣流激振，在這種情況下，機(jī)組如何安全運(yùn)行就成了一個(gè)難題。

上述弊端也是梳齒式汽封天然的缺陷，設(shè)備能源部4#C12-3.43/0.98 型汽輪機(jī)組目前便存在油中進(jìn)水嚴(yán)重的問題。通過以上分析可以看出，對汽輪機(jī)組的汽封結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行改造極其必要。

2 總體思路

本著理論實(shí)踐互相結(jié)合互相補(bǔ)充的原則，我們將對機(jī)組進(jìn)行改造。主要包括2 個(gè)方面。1）將傳統(tǒng)的密封模式改成蜂窩型密封模式。2）對傳統(tǒng)的油檔進(jìn)行更改設(shè)計(jì)，解決油里面有水的問題。

改造原則：對汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子來說，如果是凹凸臺，就不變。如果是氣封環(huán)，就進(jìn)行傳統(tǒng)—蜂窩的改動，并取掉轉(zhuǎn)子軸封的高低齒，并將密封模式進(jìn)一步改為可微調(diào)的形式。

3 技術(shù)方案

汽輪機(jī)軸封由傳統(tǒng)梳齒（拉別令）密封改為蜂窩密封。

3.1 拉別令密封形式與蜂窩密封形式利弊分析

拉別令密封是廣泛但原始的密封結(jié)構(gòu)，雖然價(jià)格低廉，但低廉往往伴隨著缺陷多。

3.1.1 密封性差

由于較少的齒數(shù)，所以會導(dǎo)致嚴(yán)重的泄露。并且這種結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致較大的磨損，密封間隙可能不符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 易引起氣流激振

“J”形的形狀結(jié)構(gòu)是拉別令結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模式，在這種模式下一個(gè)環(huán)形的腔室存在于其中，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，強(qiáng)旋氣流會在這個(gè)空腔中形成。橢圓形的轉(zhuǎn)子軌跡必然會導(dǎo)致氣動問題，導(dǎo)致氣流激振，進(jìn)一步產(chǎn)生機(jī)組振動。

經(jīng)過長期的探索研究，已證實(shí)密封中流體誘導(dǎo)力引起的自激振動是引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的主要原因之一。

一般來說，轉(zhuǎn)子在密封的空腔中，如果其位置出現(xiàn)了偏置，密封周圍的不均勻的壓力分布，有時(shí)會引起密封中流體的激振力。由于密封空腔的流體形成了一定的旋度，周向壓力布局的變化與轉(zhuǎn)子和閉空腔之間的間隙變化不完全一致。這樣，作用于轉(zhuǎn)子的力就可以擴(kuò)散到垂直于偏差方向的切線力，從而激勵(lì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動。如果激勵(lì)力持續(xù)上升，以至于達(dá)到了一個(gè)特定的值或超過這個(gè)特定的值，轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的異同步振動。一般認(rèn)為，這時(shí)需要增大系統(tǒng)的阻尼，并降低切向速度，實(shí)現(xiàn)上述目的的一個(gè)有效手段便是蜂窩密封。蜂窩密封的阻尼超過了傳統(tǒng)迷宮式密封的5 倍以上[1]。

3.1.3 檢修煩瑣

目前4#發(fā)電機(jī)上所裝的拉別令密封一旦損壞，需揭缸更換，時(shí)間大約為15 d（含機(jī)組冷卻時(shí)間）。如果堅(jiān)持運(yùn)行，則會造成機(jī)組汽耗升高，運(yùn)行成本增加，與現(xiàn)有生產(chǎn)形式格格不入。

3.2 新型FW 蜂窩式密封技術(shù)

蜂窩密封在非接觸的密封模式中，既安全，又有效。這種密封是由0.05 mm～0.10 mm 厚的鎳基耐高溫合金防銹金屬片制成的蜂窩帶，具有蜂窩狀的六角形孔結(jié)構(gòu)。蜂窩帶通過真空釬焊技術(shù)焊接在壓蓋環(huán)的主體上，形成蜂窩密封。它的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)密封無可比擬的。

在密封原理上，蜂窩式密封優(yōu)于梳齒式密封，因?yàn)樗哂懈酉冗M(jìn)的密封原理。對于蜂窩型密封來說，其在原有的梳齒狀密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成了氣流阻尼齒，其齒數(shù)還比原來的更多。同時(shí)，特殊的蜂窩腔使得當(dāng)軸向漏風(fēng)進(jìn)入密封腔時(shí)，會充滿一個(gè)蜂窩狀的孔，孔的根部與環(huán)體釬焊在一起，無處可去。積聚在小孔中的氣體必須對來自頭部的氣體有很強(qiáng)的阻擋作用，因此，蜂窩密封在原理上比梳狀密封具有更先進(jìn)的密封原理。蜂窩密封或帶彈簧的可調(diào)密封，可有效減少密封與軸之間的摩擦，便于調(diào)整密封間隙。這種新型密封可以克服原有梳齒式密封在機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后容易失去密封功能的問題[2]。蜂窩帶材料為進(jìn)口哈氏鎳基耐高溫合金。原梳狀蒸汽密封的材料是鐵氧體。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，在相同的壓力、轉(zhuǎn)速、表面粗糙度和軸徑硬度下，將蜂窩型汽封與鐵氧體梳狀汽封進(jìn)行了比較。使用壽命方面前者是后者的2.5倍，對軸徑表面的摩擦阻尼：后者是前者的1.4 倍。對軸徑表面的摩擦損傷程度：后者是前者的6 倍。穩(wěn)定性更好，在2 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下，具有一般的振幅影響。蜂窩帶比較柔軟，產(chǎn)生了更小的密封間隙，這使得其密封性能更出色。蜂窩密封的蜂窩帶釬焊在與原迷宮密封相鄰的高齒中間，尺寸較大。軸上的凸臺總是朝向蜂窩帶，不會有“脫落”現(xiàn)象發(fā)生。保持了良好的密封間隙[3]。

3.3 工藝操作和改造方法

不必改變原有的轉(zhuǎn)子、汽封等結(jié)構(gòu)，直接將原來的傳統(tǒng)密封改成蜂窩密封就行。將原來的梳齒密封改為蜂窩密封的設(shè)計(jì)原則，保持密封環(huán)的高齒和其與轉(zhuǎn)子的相對位置不變，只將密封環(huán)的低齒部分改為蜂窩帶結(jié)構(gòu)。安裝間隙應(yīng)符合裝置的設(shè)計(jì)要求。改造后的前后密封示意圖如圖2 所示，圖3所示。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過新型蜂窩密封的改造后，宣鋼設(shè)備能源部4#汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行半年多來未出現(xiàn)漏油、運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，改造效果比較明顯。

明顯減少了機(jī)組的泄漏損失，有效提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。對機(jī)組的運(yùn)行過程進(jìn)行了檢測，在整個(gè)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子的運(yùn)行十分穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)氣流激振的存在。油擋和密封件的使用壽命得到了增加，在一個(gè)大修周期中，沒有發(fā)現(xiàn)密封和油擋的損壞，這表示壽命在了一個(gè)大修周期以上，大大減少了停機(jī)維護(hù)、更換時(shí)壽件的成本。杜絕了漏油、漏汽。改造后的汽輪機(jī)組在今后的檢修時(shí)，就不用外送進(jìn)行“J”形齒鑲封，更不用因嵌入了新的“J”形齒而需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，改造前汽輪機(jī)組的這些檢修工序是相當(dāng)漫長并且技術(shù)要求是很精細(xì)的。在改造活動結(jié)束后，檢修的時(shí)間得到極大地縮短，技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度得到了極大地降低。這樣一來，進(jìn)一步縮減了成本。

圖2 改造后前密封示意圖

圖 3 改造后后密封示意圖

5 結(jié)論

新型密封技術(shù)即蜂窩型密封的應(yīng)用以及改造，減少了機(jī)組的泄漏，極大地改善了工作環(huán)境，降低了成本，還節(jié)約了能源，減少了電力購買的費(fèi)用，提高了自我發(fā)電的總量。總之，這項(xiàng)技術(shù)的改造與應(yīng)用，標(biāo)志著能源動力部門的技術(shù)進(jìn)步取得了更大的成就，為以后進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)水平，進(jìn)一步節(jié)約成本奠定了基礎(chǔ)。