汽輪機(jī)低壓汽封異常磨損分析及優(yōu)化

蘇鑫海， 譚俊， 謝峰， 劉緒芳， 趙春芳

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

汽輪機(jī)有靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分。 在汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)， 轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)， 靜子固定， 因此轉(zhuǎn)子和靜子之間必須保持一定間隙， 不相互摩擦。

引起汽封徑向碰摩的因素有很多， 汽缸等部件異常變形、 軸封溫度不匹配、 轉(zhuǎn)子彎曲、 安裝間隙過小等都會(huì)影響動(dòng)靜碰磨， 使汽封存在磨損情況[1]。

本文主要研究探討了目前深度調(diào)峰汽輪機(jī)組在部分運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值過高、 運(yùn)行工況頻繁變化情況下引起汽缸等部件變形導(dǎo)致汽封異常磨損的問題。

1 隔板汽封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及密封原理

1.1 隔板汽封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽輪機(jī)蒸汽流過汽輪機(jī)各級(jí)工作時(shí)， 壓力、溫度逐級(jí)下降， 在隔板兩側(cè)存在壓差。 在這個(gè)壓差的作用下， 會(huì)有一部分蒸汽通過動(dòng)靜之間的間隙流走不做功。 隔板汽封的作用就是減少這種蒸汽泄漏， 提高汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2]。 大中型汽輪機(jī)應(yīng)用最廣泛的為非接觸式曲徑汽封。 曲徑汽封由多個(gè)順序排列的汽封齒與轉(zhuǎn)子形成環(huán)形間隙和汽室所組成[3]。

圖1 所示為典型汽封結(jié)構(gòu)。 汽封圈主要包含汽封彈簧、 汽封體、 汽封齒等部件。

圖1 隔板汽封結(jié)構(gòu)圖

1.2 隔板汽封密封原理

當(dāng)蒸汽依次流過汽封環(huán)形間隙和汽室時(shí)， 蒸汽動(dòng)能在汽封室逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能， 壓力不斷降低， 直至汽封后壓力。 汽封齒數(shù)越多， 間隙越小，漏出的蒸汽量也越小[4]。

在汽輪機(jī)啟停過程中， 由于過臨界轉(zhuǎn)速或其他異常情況的影響， 汽封齒有與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦的可能。

2 隔板汽封異常磨損問題及原因分析

2.1 問題描述

根據(jù)某電廠反饋的汽輪機(jī)低壓缸檢修情況，發(fā)現(xiàn)低壓隔板汽封異常磨損， 磨損量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)間隙。 隔板汽封汽封齒和轉(zhuǎn)子磨損情況見圖2。

圖2 隔板汽封磨損實(shí)物圖

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)隔板汽封左、 右側(cè)和頂部的汽封齒還保留著原設(shè)計(jì)形狀， 有輕微磨損現(xiàn)象。 但底部汽封齒幾乎被磨平， 大量鐵屑集中在汽封室內(nèi)， 轉(zhuǎn)子大軸上也有相應(yīng)磨痕。 根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)底部汽封齒高度比其余方向要低。 該低壓缸采用雙分流結(jié)構(gòu)， 隔板汽封磨損量由汽缸中部向兩端逐漸減小。 該汽封齒設(shè)計(jì)為正圓， 并沒有偏心設(shè)計(jì)， 可以判斷出低壓隔板汽封底部汽封齒確實(shí)是異常磨損， 磨損量超過設(shè)計(jì)值， 導(dǎo)致汽封局部失效， 使蒸汽泄漏量增加， 影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.2 原因分析

一般機(jī)組的低壓缸為內(nèi)外缸鋼板焊接結(jié)構(gòu)。兩端軸承的軸承箱為落地式， 軸端汽封固定在軸承箱上， 低壓內(nèi)缸通過貓爪搭在低壓外缸上， 低壓外缸落在汽輪機(jī)基礎(chǔ)上。 這種低壓缸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得低壓轉(zhuǎn)子中心標(biāo)高穩(wěn)定， 不會(huì)因低壓缸真空的變化而變化。 但靜子部件在進(jìn)、 排汽溫度發(fā)生頻繁快速變化容易產(chǎn)生變形， 以貓爪為起始基準(zhǔn)的上抬或翹曲。 主要出現(xiàn)在為適應(yīng)目前電力發(fā)展需要的調(diào)峰機(jī)組。 針對(duì)后續(xù)越來越多的機(jī)組參與快速調(diào)峰運(yùn)行，故有必要針對(duì)此類變形進(jìn)行分析[4]。

這類機(jī)組正常運(yùn)行期間軸振水平良好， 但機(jī)組啟停頻繁且變工況運(yùn)行多， 再加上如低壓缸運(yùn)行參數(shù)較高的情況下，容易進(jìn)一步導(dǎo)致低壓內(nèi)缸等靜子部件的變形上抬，使低壓隔板汽封出現(xiàn)磨損。

3 低壓內(nèi)缸有限元模擬分析

3.1 低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

該機(jī)組低壓缸內(nèi)缸采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)， 內(nèi)缸本體為圓筒設(shè)計(jì)。 在汽缸下半設(shè)置有貓爪支撐結(jié)構(gòu)， 搭在外缸上， 支持整個(gè)內(nèi)缸和所有隔板的重量， 如圖 3 所示。

圖3 低壓內(nèi)缸支撐示意圖

3.2 低壓內(nèi)缸有限元模擬分析

根據(jù)調(diào)峰機(jī)組頻繁啟停以及運(yùn)行參數(shù)偏高對(duì)低壓內(nèi)缸的影響， 模擬邊界條件對(duì)內(nèi)缸進(jìn)行有限元計(jì)算分析， 結(jié)果顯示汽缸中分面處的天地方向有變形情況。 考慮機(jī)組安裝、 運(yùn)行因素， 該計(jì)算結(jié)果與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)汽封磨損量比較吻合。 由于布置需要， 汽缸上下半支撐結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，結(jié)構(gòu)剛性存在差異， 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)汽缸存在上下半變形差異， 在頻繁啟停工況下變形累積加劇，同時(shí)在連通管等外部推力作用下導(dǎo)致低壓內(nèi)缸的翹曲變形。 汽缸變形上抬后， 使隔板汽封與轉(zhuǎn)子底部間隙變小， 甚至間隙消失， 最終使汽封齒過度磨損。

4 低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果分析

根據(jù)上述分析結(jié)果， 分別采取加強(qiáng)上半汽缸支撐結(jié)構(gòu)和減弱汽缸下半支撐結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行有限元模擬分析[5]。

上半汽缸支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案見圖4。

圖4 低壓缸上半支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案示意圖

通過上半支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)， 加強(qiáng)方案是將上半支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成與下半一樣， 汽缸中分面天地方向變形情況得到改善。

下半汽缸支撐結(jié)構(gòu)減小剛性方案是在保證下半汽缸支撐結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度基礎(chǔ)上進(jìn)行局部切除處理， 見圖 5～6。

圖5 低壓缸下半支撐結(jié)構(gòu)剛性減小方案一

圖6 低壓缸下半支撐結(jié)構(gòu)剛性減小方案二

分別對(duì)圖5～6 低壓缸下半支撐結(jié)構(gòu)剛性減小方案進(jìn)行有限元模擬分析。 計(jì)算結(jié)果顯示， 若下半汽缸支撐結(jié)構(gòu)剛性越弱， 汽缸中分面上抬變形量越小。

對(duì)比各低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有限元模擬分析結(jié)果， 通過加強(qiáng)上半剛度或減小下半缸剛度均能有效減小汽缸中分面上抬的變形值。 上下半汽缸剛度越趨于一致， 變形量越小。

5 結(jié)論

由上述分析結(jié)果可知： 針對(duì)參與快速調(diào)峰頻繁變工況運(yùn)行的汽輪機(jī)， 低壓內(nèi)缸上下半結(jié)構(gòu)剛性不一致更容易出現(xiàn)汽缸變形翹曲的情況。 汽缸變形導(dǎo)致隔板汽封與轉(zhuǎn)子間隙變小， 甚至間隙消失， 最終使汽封齒過度磨損。

對(duì)頻繁變工況啟停的調(diào)峰汽輪機(jī)， 汽缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到上下半剛性的合理匹配， 合理選擇汽封型式和間隙， 使汽缸動(dòng)靜變形協(xié)調(diào)， 減小對(duì)汽封間隙的影響， 提高汽封密封效果， 保證機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性[6]。