接觸式蜂窩汽封在12MW汽輪機(jī)中的應(yīng)用

張志偉

(廣州珠江啤酒股份有限公司熱電廠，廣東 廣州 510315)

一、改造背景

汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)的作用是在汽輪機(jī)軸端形成蒸汽密封；高壓端的汽封的作用是防止高壓部分汽缸內(nèi)的蒸汽外漏，造成軸承油內(nèi)進(jìn)水和蒸汽能量損失；低壓端的汽封的作用是防止外界空氣順汽封漏進(jìn)汽缸真空部分，影響機(jī)組的真空以及運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

珠江啤酒股份有限公司熱電廠3#汽輪機(jī)是次高壓抽汽式機(jī)組，額定功率為12MW，額定轉(zhuǎn)速為3 000r/min，進(jìn)汽壓力4.6～5.1MPa，進(jìn)汽溫度為455～480℃，汽輪機(jī)前后端汽封采用梳齒迷宮汽封。機(jī)組于1997年投運(yùn)后，汽封存在以下問題。

(1)高壓汽封齒與汽封套磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致主軸需送回廠家更換汽封套。

(2)高壓汽封間隙超過最大標(biāo)準(zhǔn)值0.5mm，導(dǎo)致機(jī)組漏汽量變大。

(3)軸承箱內(nèi)漏入泄漏的蒸汽，機(jī)組潤(rùn)滑油帶水，乳化嚴(yán)重，需要停機(jī)組進(jìn)行處理，潤(rùn)滑油需全部更換。

(4)排汽缸低壓汽封泄漏大，使真空嚴(yán)密性受影響。

二、機(jī)組原汽封工作原理及存在問題

該機(jī)組采用梳齒式迷宮密封，其工作原理為：一定壓力的蒸汽流過梳齒式迷宮密封時(shí)，必須依次經(jīng)過汽封篦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，蒸汽因節(jié)流作用由P1降至P2，汽流加速，隨后高速進(jìn)入小室，發(fā)生撞擊和渦流，速度降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能；當(dāng)蒸汽經(jīng)過第二個(gè)間隙時(shí)，重復(fù)上述過程，壓力由P2降到P3。如此，蒸汽流經(jīng)最后一個(gè)汽封篦齒時(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)篦齒前后的壓差就越小，漏汽量也越少，當(dāng)汽封篦齒足夠多時(shí)，漏汽量為零。

在實(shí)際運(yùn)行中，梳齒式迷宮汽封對(duì)于防止漏汽、提高機(jī)組熱效率起到一定的作用，但也存在一些不足。(1)汽機(jī)在啟停過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)幅度較大，汽封徑向間隙較小時(shí)，汽封齒不具耐磨性，容易發(fā)生磨損，徑向密封間隙變大，漏汽量增加。(2)汽封齒與汽封套摩擦，產(chǎn)生大量的熱，有可能造成軸的局部過熱而引起轉(zhuǎn)軸彎曲。所以檢修時(shí)人為放大徑向間隙，以保障機(jī)組的安全。(3)泄漏的蒸汽順著軸頸竄入前軸承室，造成潤(rùn)滑油嚴(yán)重帶水，導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)各部件腐蝕，引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件卡澀，影響調(diào)速系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。同時(shí)會(huì)破壞軸瓦與軸頸之間的潤(rùn)滑油膜，使軸承振動(dòng)增大，影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。(4)低壓端汽封密封磨損后，大量氣體漏入排汽缸，嚴(yán)重影響機(jī)組真空嚴(yán)密性，降低機(jī)組出力和熱經(jīng)濟(jì)性。

為徹底解決梳齒密封迷宮密封漏汽問題，消除機(jī)組的安全隱患，提高機(jī)組的效率，決定在保留梳齒結(jié)構(gòu)和汽密性基礎(chǔ)上，采用目前比較先進(jìn)的接觸式蜂窩汽封技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改造。

三、接觸式蜂窩汽封的原理及優(yōu)點(diǎn)

接觸式蜂窩汽封裝置是接觸技術(shù)與蜂窩技術(shù)的結(jié)合。接觸式密封是在已有的汽封圈體中心部分嵌入與軸(套)直接接觸的非金屬汽封齒，具有以下特點(diǎn)。(1)與轉(zhuǎn)軸接觸部分的接觸齒材料是一種非金屬?gòu)?fù)合材料，具有耐高溫、耐磨、耐油特性，自潤(rùn)滑性好，不易磨損軸徑，不會(huì)引起軸發(fā)熱和軸系振動(dòng)，能夠保持與軸始終接觸而穩(wěn)定運(yùn)行，密封效果好，減少漏汽，機(jī)組效率得到提高。(2)汽封齒的背部設(shè)有單獨(dú)的彈簧壓力系統(tǒng)，具有自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)軸，尤其是汽輪機(jī)啟動(dòng)停止時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)補(bǔ)償，完全無(wú)間隙運(yùn)行。(3)接觸汽封齒具有精確限位裝置，徑向后退量2.5mm，徑向前進(jìn)量0.5mm，具有很高靈敏度，適應(yīng)轉(zhuǎn)軸偏擺及晃動(dòng)。

蜂窩汽封是在原汽封低齒部位加入蜂窩帶，蜂窩帶由內(nèi)孔表面為蜂窩形狀的六邊形小蜂窩孔組成，其材料為鎳基高溫合金材質(zhì)，用高溫真空釬焊與汽封圈焊接在一起。當(dāng)汽流通過高齒進(jìn)入蜂窩帶時(shí)，汽流在壓力的作用下，進(jìn)入蜂窩汽室，汽流在六角形汽室中形成渦旋，使汽流內(nèi)水平方向變?yōu)橄蛳麓怪狈较?，進(jìn)而借助汽流壓力形成一道汽墻，并形成一道汽密封，達(dá)到阻流、擾流的作用。其具有以下特點(diǎn)。(1)有效地達(dá)到密封效果，減少做功汽體泄漏，在同等間隙的情況下，其泄漏量比普通梳齒汽封減少30%～50%，大大提高了汽輪機(jī)組的熱效率。(2)利用蜂窩網(wǎng)格對(duì)汽流產(chǎn)生摩擦阻尼效應(yīng)，相當(dāng)于一層氣墊，有助于減小軸振。(3)蜂窩帶中的蜂窩網(wǎng)格對(duì)氣流中的水分具有結(jié)露作用。(4)接觸式蜂窩汽封在普通梳齒汽封上改造比較方便，不用改變轉(zhuǎn)子或汽封套的結(jié)構(gòu)，只需參照原汽封圈的尺寸即可。

四、改造方案

1.前汽封改造的實(shí)施方案

針對(duì)3#汽機(jī)前軸封泄漏嚴(yán)重的情況，將其前汽封的第7至11圈汽封更換為接觸式蜂窩汽封(圖2)。在壓力區(qū)段，非金屬密封齒可將密封齒與汽封套的徑向間隙根據(jù)不同的位置，調(diào)整至金屬齒無(wú)法達(dá)到的0～0.15mm，既能大大減少缸內(nèi)各漏點(diǎn)的漏汽量，使進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量都沿著汽輪機(jī)的葉柵通道前進(jìn)做功，又能防止汽缸內(nèi)蒸汽漏出缸外進(jìn)入軸承室，造成潤(rùn)滑油含水，達(dá)到減少能源的損失、提高機(jī)組效率的目的。

2.后汽封改造的實(shí)施方案

針對(duì)3#汽機(jī)后軸封嚴(yán)密性差的情況，將后汽封的全部四圈汽封更換為接觸式汽封(圖3)。在真空區(qū)段，非金屬密封齒可將密封齒與汽封套的徑向間隙根據(jù)不同的位置調(diào)整至0～0.05mm，有效防止汽輪機(jī)外側(cè)的空氣向汽輪機(jī)內(nèi)泄漏，使汽輪機(jī)真空系統(tǒng)穩(wěn)定，從而保證汽輪機(jī)有盡可能低的背壓參數(shù)，提高汽輪機(jī)的效率。

五、效果

改造后，3#汽輪機(jī)汽封漏汽明顯減少，泄漏量由0.4t/h降至0.1t/h，每小時(shí)可減少汽封泄漏蒸汽0.3t，解決了軸端汽封泄漏大以及汽封漏汽進(jìn)入軸承室造成汽機(jī)潤(rùn)滑油乳化失效問題，減少了更換汽輪機(jī)潤(rùn)滑油的損失，提高機(jī)組的真空度1.0kPa。