核電汽輪機(jī)汽封徑向間隙測量方法探討

何濱， 宋大全

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

核能是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的新型能源之一,具有清潔無污染、 能量密度高、 綜合成本低、 無供電間隙性等優(yōu)點。 我國于2007 年正式啟動《國家核電發(fā)展專題規(guī)劃（2005-2020 年）》, 首次明確核電裝機(jī)容量及核電年發(fā)電量中長期目標(biāo)。 同時, 核能發(fā)展具有高風(fēng)險性, 若不能有效控制產(chǎn)品質(zhì)量, 一旦發(fā)生事故將帶來毀滅性災(zāi)難。 本文就如何準(zhǔn)確測量核電汽輪機(jī)汽封徑向間隙問題展開論述, 從而實現(xiàn)汽封間隙的準(zhǔn)確調(diào)整, 提高機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 汽輪機(jī)汽封簡介

汽輪機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的蒸汽動力裝置, 高溫高壓蒸汽從固定噴嘴（如隔板）噴出變成加速氣流后噴射到轉(zhuǎn)子葉片上, 使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對外做功。因此, 汽輪機(jī)存在動靜部分, 在動靜之間設(shè)置汽封裝置, 既能保證動靜之間有適當(dāng)間隙, 減少蒸汽泄漏或空氣進(jìn)入； 又能在機(jī)組故障時減少動靜碰磨面積, 提高機(jī)組運行的安全性。

1.1 核電汽輪機(jī)汽封結(jié)構(gòu)特點

核電汽輪機(jī)汽封裝置按汽封是否可拆卸, 可分為固定汽封和可拆卸汽封。

（1）固定汽封, 是指汽封齒直接鑲嵌在隔板或汽封體上, 用手或簡易工具不可按壓, 如圖1（a）所示, 隔板葉頂汽封便是采用的這種結(jié)構(gòu)。

（2）可拆卸汽封, 是指汽封齒直接加工或鑲嵌在汽封塊上, 汽封塊安裝在隔板或汽封體對應(yīng)安裝槽內(nèi), 背部設(shè)計有彈簧, 用手按壓可退讓, 可更換汽封塊,如圖1（b）所示, 隔板板體汽封和汽封體汽封便是采用的這種結(jié)構(gòu)。

圖1 核電汽封裝置

2 火電汽輪機(jī)汽封徑間隙的測量方法

根據(jù)火電汽輪機(jī)的安裝經(jīng)驗, 汽封徑向間隙的測量通常可采用塞尺法、貼膠布法和壓鉛絲法[1]。下面就這3 種方法的測量原理, 分析出對應(yīng)的優(yōu)缺點。

2.1 塞尺法

測量時, 采用斜尺或塞尺和塞塊配合, 直接對可見汽封徑向間隙進(jìn)行測量。 優(yōu)點： 可以直接測量, 獲取數(shù)據(jù)方便準(zhǔn)確； 缺點： 只能測量可見、可摸的間隙, 主要用于左、 右汽封徑向間隙測量。

2.2 貼膠布法

測量時, 在汽封齒上沿軸向貼上白膠布, 每層膠布厚度約為0.25 mm, 每層膠布間應(yīng)錯口2 mm 左右做成階梯型, 層數(shù)視間隙標(biāo)準(zhǔn)而定。 在轉(zhuǎn)子對應(yīng)部位涂紅丹粉, 吊入轉(zhuǎn)子并扣合全實缸,盤動3～5 圈后吊出； 檢察白膠布的磨痕, 根據(jù)磨痕的深淺估計汽封徑向間隙。 優(yōu)點： 可檢查整圈汽封徑向間隙的最小值。 缺點： 測量數(shù)據(jù)靠目視和經(jīng)驗得出, 不準(zhǔn)確； 間隙過大時膠布層數(shù)較多,膠布厚度不準(zhǔn), 且盤動轉(zhuǎn)子過程中容易掉落。

2.3 壓鉛絲法

測量時, 將大小合適的鉛絲固定到汽封齒對應(yīng)位置上, 吊放轉(zhuǎn)子到工作位置, 這樣鉛絲就被壓出一道道溝槽, 吊出轉(zhuǎn)子用專用測厚百分表測量溝槽厚度, 即為對應(yīng)位置汽封徑向間隙。 過程中須保證被測位置汽封齒不可退讓（可拆卸式汽封塊背部須用硬木楔契緊）。 優(yōu)點： 鉛絲壓好后,數(shù)據(jù)可直接用厚度百分表測出, 準(zhǔn)確可靠。 缺點：須考慮汽缸安裝過程中撓度的變化引起測量誤差。

3 核電汽輪機(jī)汽封徑間隙采用火電汽輪機(jī)的測量方法可行性分析

3.1 核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)的差異性分析

核電汽輪機(jī)主要由高中壓缸、 高壓9 級隔板、中壓4 級隔板高壓后汽封體、 中壓后汽封體、 高中間汽封體組成。 現(xiàn)有百萬等級火電汽輪機(jī)均采用高中壓分缸設(shè)計。 為了使二者具有更多相似性,這里選用某公司設(shè)計生產(chǎn)的660 MW 火電機(jī)型進(jìn)行對比。 2 種機(jī)型均采用高中壓合缸, 上貓爪支撐, 中間進(jìn)汽兩端排汽的設(shè)計結(jié)構(gòu), 主要區(qū)別如表1～2 所示。

（1）轉(zhuǎn)子重量約是火電機(jī)組的3 倍、 軸距和最大外形尺寸均大于火電機(jī)組。

（2）汽缸的重量約是火電機(jī)組的2.5 倍、 長度和外形尺寸均大于火電機(jī)組。

（3）隔板葉頂汽封徑向間隙約是火電機(jī)組的3倍。

表1 火電與核電汽輪機(jī)高中壓模塊零件參數(shù)

3.2 測量左、 右汽封徑向間隙

將隔板下半、 汽封體下半就位后, 放入轉(zhuǎn)子,采用塞尺法進(jìn)行測量。 注： 塞尺塞入深度應(yīng)加以控制, 一般控制在10～12 mm。 通過實踐, 相關(guān)尺寸能夠快速準(zhǔn)確測出。 因此, 核電汽輪機(jī)測量左、右汽封徑向間隙可采用塞尺法。

3.3 測量上、 下汽封徑向間隙

3.3.1 貼膠布法

從2 表看出, 火電機(jī)組的汽封最大徑向間隙為1.22 mm, 采用0.25 mm 厚的膠帶, 5 層即可滿足測量要求, 核電汽輪機(jī)最大汽封徑向間隙為4.1 mm, 貼膠帶須要17 層。 實施后膠帶厚度誤差大,盤動轉(zhuǎn)子時更容易掉落, 引起返工； 核電轉(zhuǎn)子重約105 t, 不投頂軸油時無法盤動； 投入頂軸油后, 轉(zhuǎn)子約有0.15 mm 的上抬和右偏, 影響間隙測量。 因此, 貼膠布法不能準(zhǔn)確測量核電汽輪機(jī)上下汽封徑向間隙。

3.3.2 壓鉛絲法

核電汽輪機(jī)部套重量大, 尺寸大, 安裝過程中發(fā)現(xiàn)全實缸把緊高中壓缸中分面1/3 的螺栓, 保證中分面0.03 mm 塞尺不入后, 汽缸的最大撓度比半實缸（只在汽缸下半放入下半隔板、 下半汽封體的情況） 增加約0.5 mm。 隔板、 汽封體整體是通過下半兩側(cè)懸掛銷支撐在汽缸下半的, 汽缸下半的撓度變化, 立即就會引起隔板、 汽封體中心的變化, 從而引起汽封徑向間隙變化, 最終使下部鉛絲尺寸比真實汽封徑向間隙小。 因此, 壓鉛絲法也不適合直接準(zhǔn)確測量核電汽輪機(jī)上下汽封徑向間隙。

4 確定核電汽輪機(jī)上下汽封間隙測量方法

汽輪機(jī)上下汽封徑向間隙測量的難點在于看不見、 摸不著, 在長期實踐過程中總結(jié)出了貼膠布和壓鉛絲的測量方法。 但并不能直接運用到核電汽輪機(jī)上下徑向間隙的測量上, 因此, 優(yōu)化現(xiàn)有測量方法很有必要。

4.1 優(yōu)化現(xiàn)有測量方法可行性分析

貼膠布法不可行的主要原因： 汽封間隙過大,貼膠帶層數(shù)過多, 總厚度誤差大, 轉(zhuǎn)子盤動過程中容易掉落； 核電轉(zhuǎn)子重, 轉(zhuǎn)子盤動時必須投入頂軸油, 轉(zhuǎn)子頂起高度對徑向間隙測量的準(zhǔn)確性有影響。 要想準(zhǔn)確測出汽封徑向間隙, 就必須解決過多膠布貼在一起厚度準(zhǔn)確性、 過厚易脫落、頂軸油須提前投入以及頂軸油投入對汽封徑向間隙帶來的影響等問題。 這些問題要想解決都比較困難, 因此暫不考慮采用此方法。

壓鉛絲法不可行的主要原因在于汽缸撓度變化太大, 引起鉛絲的尺寸與實際汽封徑向間隙不符。 只要解決了汽缸撓度變化帶來的影響, 就能準(zhǔn)確測出上下汽封徑向間隙。 因此, 準(zhǔn)備在壓鉛絲法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 轉(zhuǎn)子、 汽缸撓度分析

轉(zhuǎn)子安裝在軸承箱中的支持軸承上, 整個過程中重量和支撐位置均未發(fā)現(xiàn)變化, 因此, 轉(zhuǎn)子的撓度值X 不變。

汽缸通過貓爪支撐在軸承箱上, 安裝過程中汽缸的重量隨著隔板、 汽封體、 汽缸上半裝入逐步增加[2]。 在放入隔板下半、 汽封體下半后, 即半實缸狀態(tài), 汽缸的最大撓度為Y； 隨著隔板上半、汽封體上半裝入, 汽缸撓度會逐步增加, 最終在高中壓外缸上半裝入后重量最大, 撓度也達(dá)到最大, 此時最大撓度值為Y+δY1； 隨后把緊高中壓缸中分面1/3 連接螺栓, 保證中分面間隙0.03 mm塞尺不入, 汽缸本身的鋼度增加, 汽缸的撓度有一定減小, 最終全實缸狀態(tài)下, 汽缸最大值撓度為Y+δY。 詳見圖3。 經(jīng)過實際測量, 高中壓缸半實缸狀態(tài)與全實缸狀態(tài)的最大撓度差為： 火電660 MW 汽輪機(jī)δY 約為0.3 mm[2]； 核電汽輪機(jī)δY 約為0.5 mm。

圖3 轉(zhuǎn)子、 汽缸撓度變化示意圖

4.3 消除汽缸撓度變化對汽封徑向間隙的影響

根據(jù)汽缸安裝過程的撓度變化可知, 如果直接壓鉛絲, 測量出的上下汽封徑向間隙均會小于實際間隙。 為消除影響, 測量汽封徑向間隙時,上部可以預(yù)抬汽缸標(biāo)高, 下部可預(yù)抬轉(zhuǎn)子標(biāo)高或預(yù)降汽缸標(biāo)高。 因此, 需要兩次扣缸才能完成上下部汽封徑向間隙的測量。

安裝時, 在汽缸前后端部各焊3 個小圓柱,做為轉(zhuǎn)子與汽缸的中心基準(zhǔn)（以下簡稱汽缸基準(zhǔn)）。 半實缸時, 測量并記錄汽缸基準(zhǔn), 拆出下部可拆汽封塊背后的硬木塞, 通過貓爪墊片將高中壓外缸中心上抬一定尺寸Z。 通過汽封間隙和汽缸下沉量的特點, 現(xiàn)場將Z 定為1.2 mm, 能夠保證安裝過程中上部鉛絲被壓后的尺寸均大于對應(yīng)位置實際間隙。 全實缸時通過調(diào)整貓爪墊片, 恢復(fù)汽缸基準(zhǔn)后打開汽缸, 測得被壓后鉛絲的厚度即為上部汽封徑向間隙。

安裝時, 每增加一次扣缸就會增加約兩天工作量, 同時也會增加零件損傷風(fēng)險。 因此, 下部汽封徑向間隙采用現(xiàn)場計算的方法得出。 為使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠, 安裝時采用壓鉛絲法測出總的汽封間隙。 即半實缸時, 在下部汽封齒對應(yīng)位置放置鉛絲, 吊入轉(zhuǎn)子, 再吊入上半汽封體和上半隔板,把緊中分面螺栓消除間隙后再拆開, 測量并記錄上部汽封徑向間隙, 為盡量消除汽缸撓度對間隙的影響, 隔板或汽封體只能單級吊入汽缸, 測量完成吊出后, 才再吊入下一級； 然后吊出轉(zhuǎn)子,測量并記錄下部汽封徑向間隙。 將對應(yīng)位置上下汽封徑向間隙求和后減去采用抬缸法測得的上部汽封徑向間隙的值就是準(zhǔn)確的下部汽封間隙。

5 核電汽輪機(jī)汽封徑向間隙測量方法

（1）隔板汽封體精找中工作已完成, 檢查汽封塊周向間隙合格, 在上下須測間隙位置放置合適的鉛絲, 可拆卸汽封的背部用硬木楔契緊；

（2）高中壓外缸下半就位并放入隔板下半、 汽封體下半和高中壓轉(zhuǎn)子, 檢查汽缸基準(zhǔn)合格后,測量并記錄左右汽封間隙T左、 T右；

（3）逐級放入隔板或汽封體上半,把緊中分面,消除間隙后吊出, 測量并記上部壓鉛絲測量得的汽封間隙K上；

（4）吊出轉(zhuǎn)子, 測量并記錄各級隔板或汽封體下部汽封間隙K下, 同時拆除下半隔板、 下半汽封體汽封塊背部的硬木楔子；

（5）通過貓爪工藝墊塊將高中壓缸下半向上預(yù)抬Z （1.2 mm）, 裝入隔板下半、 汽封體下半和高中壓轉(zhuǎn)子；

（6）在隔板上半、 汽封體上半的汽封齒上放置合適的鉛絲, 把緊水平中分面螺栓消除間隙, 再安裝高中壓缸上半, 把緊中分面1/3 螺栓并檢查汽缸水平中分面0.03 mm 的塞尺不入；

（7）轉(zhuǎn)換上貓爪, 通過調(diào)整汽缸工藝墊塊, 恢復(fù)汽缸基準(zhǔn)；

（8）轉(zhuǎn)換下貓爪, 復(fù)裝第（5） 步貓爪工藝墊塊將汽缸上抬Z （1.2 mm）, 防止揭缸過程中鉛絲再次壓??；

（9）揭開高中壓缸上半、 隔板上半、 汽封體上半, 測量并記錄上部汽封間隙T上；

（10）計算下部汽封間隙, T下=K上+K下-T上。

6 結(jié)束語

汽封徑向間隙調(diào)整是汽輪機(jī)安裝及大修過程中一項細(xì)致、 重要、 不可或缺的工作。 通過合理的測量方法, 解決了核電半轉(zhuǎn)速百萬等級汽輪機(jī)汽封徑向間隙不能準(zhǔn)確測量的問題。 為后續(xù)汽封徑向間隙準(zhǔn)確調(diào)整提供了條件, 對汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運行至關(guān)重要。