汽輪機汽封改造優(yōu)化技術(shù)

摘 要：汽封是汽輪機正常高效運行的重要組成部分?？茖W(xué)的汽封設(shè)計不但能夠降低漏氣損失，而且能夠確保汽輪機安全運行。因此，分析汽封漏氣量的影響因素，探究汽輪機汽封改造優(yōu)化技術(shù)，具有現(xiàn)實的理論意義和實踐價值。

關(guān)鍵詞：汽輪機 汽封 優(yōu)化

中圖分類號：TK266 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-00-01

梳齒迷宮式汽封是現(xiàn)代火力發(fā)電廠通常采用的汽輪機汽封形式，其又稱之為曲徑式汽封。電廠過去經(jīng)常采用的迷宮式汽封是非接觸式汽封。因為這種汽封不用潤滑，可以自由熱膨脹，不受轉(zhuǎn)速限制，維修方便，所以廣泛應(yīng)用在燃?xì)廨啓C、汽輪機等設(shè)備的級間與軸端。但是，梳齒迷宮式汽封難以完全杜絕泄露，受限于設(shè)備軸向長度，迷宮式汽封有著較大的泄漏量。因此，優(yōu)化汽輪機汽封結(jié)構(gòu)，降低泄露損失，將會有效地提高汽輪機的功率與效率，提高電廠的經(jīng)濟效益。

1 汽輪機汽封漏氣量影響因素

1.1 汽封的齒數(shù)

相關(guān)研究表明汽封的齒數(shù)直接影響著軸封的漏氣量。當(dāng)齒間距保持不變，汽封的齒數(shù)越多，汽封的泄露量就越少。當(dāng)齒數(shù)保持不變時，汽封的齒間距越大，汽封的泄漏量就越少。較大的齒間距代表著較大的空腔，空腔能夠把齒隙轉(zhuǎn)化的動能轉(zhuǎn)耗為熱能?？涨辉酱缶驮侥芙档屯笟庑?yīng)，從而降低泄漏量。從理論上而言，越多的汽封齒數(shù)，經(jīng)過各個汽封齒間隙的漏氣的壓降就越小，也就是漏氣越少。然而，隨著氣封齒數(shù)的增加，轉(zhuǎn)子的長度與汽封段的長度都會隨之增加。通常，增加一倍的軸封齒數(shù)，就會相應(yīng)的增加一倍的軸封段長度，從而導(dǎo)致增大汽輪機轉(zhuǎn)子的長度。為了確保汽輪機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，就應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的增加軸的直徑，這就相應(yīng)的增加了汽封間隙環(huán)形面積，從而增加了蒸汽泄漏量。另一方面，增加轉(zhuǎn)子長度，就相應(yīng)的增加了氣缸長度，降低了氣缸的剛性。在啟動汽輪機或運行汽輪機的過程中，不可避免地就增大了最小汽封間隙，從而增大了汽封漏氣量。所以，增加的汽封齒數(shù)不是越多越好，齒數(shù)應(yīng)當(dāng)保持在合理的范圍內(nèi)。

1.2 汽封的間隙

如果蒸汽的壓差和相關(guān)參數(shù)保持不變，要降低汽封的漏氣量，就可以采取減少汽封齒隙的面積、增加汽封齒數(shù)的措施。但是，過小的汽封間隙將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和汽封產(chǎn)生碰擦，造成大軸振動、彎曲等事故。所以汽封間隙面積需要合理的確定。要減少汽封間隙，就應(yīng)當(dāng)確保各個部分之間不產(chǎn)生碰撞摩擦。汽封的結(jié)構(gòu)因素決定著汽封的徑向間隙。為了避免機組在臨界轉(zhuǎn)速式設(shè)備的動靜部分不發(fā)生嚴(yán)重的磨損，需要科學(xué)地控制汽封間隙，與此同時還可以考慮采取彈性汽封的方式。較小轉(zhuǎn)子跨度的汽輪機的汽封齒間隙約為0.5 mm，較大轉(zhuǎn)子跨度的汽輪機的汽封齒間隙約為0.8 mm。

1.3 汽封齒的形狀

汽封齒的形成在一定程度上影響著汽封泄漏量。選擇汽封齒的形狀時應(yīng)當(dāng)綜合考慮軸向長度、汽封位置以及相關(guān)技術(shù)要求等多種因素。通常尖齒汽封有著較好的封汽效果，越薄的汽封齒尖，有著越好的節(jié)流效果，并且動靜部分產(chǎn)生摩擦碰撞時有著相對較少的摩擦熱和摩擦力。不過，汽封的齒尖也不可以太薄，太薄的汽封齒將會顯著增加加工難度。另外，太薄的汽封齒容易被外力撞出豁口或發(fā)生變形。通常，汽封齒的齒尖處的厚度約為0.03 mm，汽封齒的齒身厚度大致處于0.6～0.12 mm的區(qū)間內(nèi)，這樣能夠使整個汽封齒有著較強的抗沖擊和抗彎曲的能力。

1.4 汽封的結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)汽封的汽封腔室形狀直接影響著封汽效果。汽封流場有著一定的要求，越強的腔室內(nèi)端流度，就有著越好的密封效果。氣流的動能在汽封腔內(nèi)應(yīng)當(dāng)盡量地轉(zhuǎn)化成熱能，從而增強封汽的效果。通常，可以采取以下措施實現(xiàn)這個目的：使氣流在汽封腔室內(nèi)多次拐彎碰撞；擴大相鄰梳齒之間的距離；增加腔室表面、汽封齒與蒸汽的摩擦損失。

2 汽輪機汽封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 汽輪機汽封改造思路

在傳統(tǒng)的汽輪機汽封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，在汽封前后壓差和密封段長度保持不變的情況下，改變汽封的齒數(shù)、齒結(jié)構(gòu)、齒分布、齒間隙等幾何結(jié)構(gòu)。通過對不同結(jié)構(gòu)的汽封實施數(shù)值模擬，判斷改造后的汽封是否優(yōu)于原汽封。并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，縫隙汽封的齒數(shù)、齒間隙等幾何結(jié)構(gòu)變化將會對傳統(tǒng)汽輪機汽封的內(nèi)部流場產(chǎn)生何種影響，進而判斷優(yōu)化改造的可行性，最終確定科學(xué)的汽封幾何結(jié)構(gòu)，以確保提高汽輪機汽封的密封性能。汽封內(nèi)部流場的數(shù)值模擬通常采用數(shù)值計算軟件進行，如Fluent等。

2.2 汽封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對傳統(tǒng)汽輪機汽封存在的問題，本研究提出集中汽封改造優(yōu)化的假設(shè)結(jié)構(gòu)，并開展數(shù)值模擬，比較各個結(jié)構(gòu)的密封性能，以確定密封效果最佳的汽封結(jié)構(gòu)。（1）齒頂側(cè)齒汽封結(jié)構(gòu)。這種側(cè)齒汽封結(jié)構(gòu)，將側(cè)齒移動到汽輪機汽封齒頂部。經(jīng)過數(shù)值模擬，齒頂側(cè)齒汽封結(jié)構(gòu)的漏氣量約為0.001487 kg/s。改變汽封側(cè)齒的位置，將會改變汽封腔內(nèi)的渦流位置、強度和形狀等。汽輪機汽封腔室的上部空間將會形成一個相對較大的渦流，因為氣流擴散至腔室內(nèi)部時會受到齒頂側(cè)齒的阻擋，從而降低了渦流強度，增加了汽封的漏氣量，所以不推薦此種汽封結(jié)構(gòu)。（2）雙向齒汽封結(jié)構(gòu)。改造高低齒汽封結(jié)構(gòu)，去除傳統(tǒng)汽封結(jié)構(gòu)中的軸上凸太與低齒，并使用軸上高齒作為替代。經(jīng)過數(shù)值模擬，雙齒汽封結(jié)構(gòu)的漏氣量約為0.0003795 kg/s。和光軸平齒汽封結(jié)構(gòu)相比，雙向齒汽封結(jié)構(gòu)因為具有軸上高齒，導(dǎo)致腔室內(nèi)部的流體強制轉(zhuǎn)向，有著更多數(shù)量的內(nèi)部渦流，每個腔室內(nèi)部會形成幾個小渦流與兩個相對較大的反向渦流，各個渦流相互作用，從而增強耗散作用，減少漏氣量。此外，雙向齒汽封結(jié)構(gòu)有著更大的渦流強度，更復(fù)雜的整體流場。和高低齒汽封相比，雙向齒汽封結(jié)構(gòu)有著更大的腔室體積，更大的渦流體積，各個渦流之間有著更強的相互作用，形成更多的小渦流。和高低齒汽封漏氣量相比，雙向齒汽封結(jié)構(gòu)的漏氣量降低18.1%。因此，雙向齒汽封結(jié)構(gòu)要好于高低齒汽封結(jié)構(gòu)。（3）側(cè)齒雙向汽封結(jié)構(gòu)。側(cè)齒雙向汽封結(jié)構(gòu)綜合了雙向尖齒汽封和側(cè)齒汽封的結(jié)構(gòu)，是一種復(fù)合汽封結(jié)構(gòu)，加裝側(cè)齒在雙向齒汽封結(jié)構(gòu)中。經(jīng)過數(shù)值模擬，側(cè)齒雙向汽封結(jié)構(gòu)的漏氣量約為0.0002955 kg/s。在側(cè)齒雙向汽封結(jié)構(gòu)中，通過最小間隙后氣流會受到側(cè)齒與雙向齒的共同影響，從而產(chǎn)生強制轉(zhuǎn)向，并在腔室內(nèi)形成兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流，有效的降低了蒸汽的流動，從而提高了密封效果。值得一提的是，在這種結(jié)構(gòu)中側(cè)齒的數(shù)量不是越多越好，在具體的改造優(yōu)化中，需要更具實際情況確定合理的側(cè)齒數(shù)量與側(cè)齒位置。

3 結(jié)語

綜上所述，汽封的齒數(shù)、間隙、形狀和結(jié)構(gòu)形式等，均對汽輪機汽封的漏氣量有著直接的影響。鑒于此，汽輪機汽封優(yōu)化就需要進行有針對性的改造，經(jīng)過數(shù)值模擬，雙向齒汽封結(jié)構(gòu)和側(cè)齒雙向汽封結(jié)構(gòu)的漏氣量相對較少，是較為理想的汽輪機汽封改造優(yōu)化方案。

參考文獻

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