1、新型汽封型式及應用探討一、汽封對汽輪機組安全經濟運行的重要影響汽輪機出現一百多年來，其技術理論已日趨完善，在現有的汽輪機技術理論，制造工藝和應用材料基礎上，大幅度提高汽輪機內效率是不現實的，但是通過減小汽輪機汽封與轉子動靜配合間隙達到減少漏汽的目的，是提高汽輪機運行效率主要途徑，尤其現代大容量高參數的汽輪機，間隙漏汽對汽輪機效率的影響更大。以國產引進型MW300機組為例，高中壓間平衡環汽封實際運行間隙均在0.8mm以上，根據實驗測得的數據，僅通過這部分汽封漏汽所造成的漏汽損失就使機組熱耗增加60kJ/kWh以上，折合標準煤2克以上。因此減少汽封間隙漏汽對汽輪機效率的提高至關重要。但是，汽輪機是

2、高速旋轉機械，在減少通流間隙漏汽（即汽封漏汽）的同時又要兼顧到機組動靜碰磨的安全性，盡管機組運行中啟機不暢，甚至造成重大彎軸重大事故得原因可能是多方面的，但是結果所反映出來的根本原因是由于動靜碰磨所造成的，事故映出來的是動靜間隙的問題。以MW200機組為例，80年代初期，彎軸現象時有發生，真對MW200機組的彎軸現象，90年原能源部下文要求電廠和將MW200機組前軸封部分汽封間隙調為11.2mm，以犧牲機組的經濟性來保證安全性。汽封兼顧著安全、經濟的雙重責任，所以人們一直在探求新的汽封結構型式，以解決既能夠大幅度提高密封性能、又能滿足機組安全運行這一長期困擾汽機專業人員的兩難問題二、汽封密封型

3、式及原理旋轉機械所采用的密封形式均是被動形式，可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式密封泄漏量最小，理論泄漏量為“0”， 應是理想的密封形式。但是，由于汽輪機是在高溫高壓狀態下高速旋轉機械設備，運行過程中要伴隨缸體熱梯度變形、啟停過臨界轉速時振動增大進而產生旋轉磨擦等現象，均會使接觸式的密封體產生磨損，形成動態間隙，碰磨是絕對的，不磨是相對的，因此，汽輪機運行的動態過程中，轉子與汽封是始終存有間隙的，即在汽輪機這種高速旋轉設備上只存在有非接觸的密封形式，所謂的接觸式密封形式也只是相對于非接觸式密封而言，間隙相對較小而已。當前汽輪機組均采用疏齒式結構，如圖1a)。a)b)c) 圖1其結構特點為：a、

4、汽封背部加裝板簧，使汽封與轉子發生碰磨時能產生退讓，當碰磨消失后，汽封在板簧的作用下又回復到工作位置。b、汽封上排列許多具有一定間隙“T”的齒，這些齒與轉子表面存有一定的間隙“”，汽封齒與轉子形成多個環形孔口，每兩個環形孔口間形成一個環形汽室“A”。蒸汽由高壓端（P1）汽室流向低壓端（P2）汽室。工作原理如下：當蒸汽漏過汽封時，依次通過這些環形孔口和環形汽室。當蒸汽通過環形孔口時，由于通流面積變小，蒸汽流速增大，壓力降低(如圖1b)。當蒸汽進入環形汽室A時，通流面積突然變大，流速降低，汽流轉向，產生渦流，蒸汽流速近似降到零；當壓力P不變，蒸汽原來具有的動能轉化為熱能使焓值不變，蒸汽依次流過各時

5、汽室不斷膨脹，蒸汽密度不斷減小，比容逐漸增大。全部孔口兩側壓力差之和等于整段汽封所維持的總壓差。圖1c)是曲徑式汽封流動過程焓熵圖。根據連續公式，任何一個孔口的汽流速度必然比上游孔口的汽流速度大，比下游孔口小。又根據噴嘴流動的基本原理，孔口兩側的絕熱降和相應的初壓背壓(Px-1/Px)之比也必定愈到下游愈增加，即(P0/P1)<(P1/P2)<(P2/P3)<。由于環形孔口都沒有斜切部分的收縮噴嘴，所以最后一個孔口的汽流速度在任何情況下也不會大于臨界速度，其漏汽流量相應的不會大于臨界流量，任何其他孔口的汽流速度都永遠小于當地音速。圖1b)中的曲線246稱為等流量曲線，或稱芬諾

6、曲線，每個漏汽量相對應有1條芬諾曲線。 若汽封初壓和背壓不變，間隙也不變，但孔口的數目減少，則每個孔口都處于較大的壓差之下，最后的一個孔口汽流可能達到最大的臨界流量，從而使漏汽量增加。 若孔口數目和背壓不變，在某一個初壓P0下，最后一個孔口汽流速度達到背壓Px下的音速，這時對應一個臨界流量和芬諾線；若提高初壓到P01，則漏汽量就增加到另一個更大的臨界值。此時，雖然汽封背壓不變，但最后一個孔口的出口截面的壓力已升高到Pz1若環形汽室體積過小，蒸汽環形汽室不能充分膨脹，在汽封各孔口的汽流動能未能在各汽封環室中全部轉化為熱能，而是保留一部分帶到各自下游的孔口，當總壓力差和孔口數目及間隙都不變時，這段

7、汽封的實際漏汽量必將有所增加。根據上述原理，疏齒式汽封的密封機理為：通過蒸汽經過“環形孔”和“環形汽室”反復節流膨脹過程，達到減少漏汽的目的。汽封間隙“”及“汽室”空間的大小，是汽封能否有效實現其性能的關鍵因素。三、汽輪機組采用新型汽封進行改造的必要性當前我國在役汽輪機發電機組運行效率普遍偏低，嚴重影響發電企業的經濟效益，節能降耗，有效提高汽輪機機組的效率是提高發電企業經濟效益的重要途徑之一。影響汽輪機效率的因素很多，如機械損傷、表面侵蝕、化學沉積、汽封漏汽等，其中，通流間隙大所造成的漏汽損失是重要原因之一，有關實驗表明，由于通流部分間隙過大所造成的損失占機組通流效率損失的80%以上，見圖2）

8、。化學沉積 9.1%表面侵蝕 3.9%機械損傷 1%汽封(含葉頂汽封)漏汽 82%圖2對于傳統形式的汽封，在機組的啟動過程中，由于缸體、隔板、汽封體受熱不均勻導致的的變形會使汽封齒與轉子局部徑向間隙變小，引起碰磨，當轉子過臨界轉速時，轉子的振動加劇摩擦，從而造成汽封永久性磨損，導致間隙增大。眾多機組的檢修運行實踐也證明了這一點。如福州電廠#1機組，見下表福州電廠#1機組1998年、2004年傳統汽封大修前后漏汽率變化機 組 型 號三菱重工TC2F-33.5時 間1998年2004年設計值 大修前大修后變化 與設計值差大修前大修后變化 與設計值差漏汽率1.936.24.7-1.50 2.77 6

9、.434.99-1.44 3.06注：漏汽率是指高壓進汽平衡環至中壓缸漏汽占再熱蒸汽的比率該數據表明，通過大修機組漏汽率有所降低，但經過一段時間運行后，又恢復到修前情況。所以，在汽輪機組設計制造機檢修過程中采用新型汽封結構、合理調整汽封間隙是解決機組兼顧安全性、經濟性難題的重要途徑。四、新型汽封的結構特點及應用4.1、布萊登可調式汽封布萊登可調式汽封是1989年由原美國通用公司汽輪機專家布萊登先生提出設計思想并設計，目前美國通用公司、西屋公司、日本三菱、東芝等公司均已采用，國內哈汽聯合循環機組、上汽超臨界60萬等級機組在設計過程中采用，自1995年首陽山#2機組成功采用，十年來國內已有近180

10、臺各類型、容量的機組采用了該技術，取得了很好的技術經濟效果，許多機組已經歷專項試驗和揭缸檢查，結果表明達到了預期效果，使機組運行安全性、經濟性有效統一，并且技術經濟效果持久。其結構如圖3圖3 圖4 圖5 其結構特點是：布萊登汽封取消了傳統汽封背部的板式彈簧，取而代之在汽封端部加裝了4只螺旋彈簧，在汽封弧塊進汽側銑出進汽道。4.1.1、工作原理：自由狀態下，在彈簧力的作用下汽封弧塊是處于張開狀態而遠離轉子機組啟機時，隨著蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧塊背部的蒸汽壓力逐步增大（見圖4）當這一壓力足以克服彈簧應力、摩擦阻力等時，汽封弧塊開始逐級關閉，直至處于工作狀態，并始終保持與轉子的最小間隙值運

11、行（見圖5）停機時，隨蒸汽流量的減小，在彈簧應力的作用下，汽封弧塊遠離轉子，使汽封與轉子的徑向間隙達到最大值。我們知道，汽封與轉子的碰磨是在機組啟、停機過臨界轉速時發生的，對于布萊登汽封而言，而此時機組蒸汽流量小，汽封是處于張開狀態，所以，布萊登汽封能夠有效的避免與轉子的碰磨。4.1.2、性能特點：4.1.2.1、安全性a)主動安全：布萊登汽封的主動安全性體現在機組啟停機過程中，汽封能夠主動遠離轉子，避免與轉子產生碰磨而使機組啟停變得十分順暢。b)被動安全：主要體現在機組事故狀態下，能夠有效避免事故進一步惡化。布萊登汽封是靠汽輪機缸體內蒸汽壓力的作用而與轉子保持較小間隙運行，當機組因突發事故，

12、引起轉子振動超標時，保護系統會立即跳閘，切斷本體通流供汽，汽缸壓力隨即降低，布萊登汽封失去蒸汽的關閉壓力，在彈簧應力的作用下張開，避免了與惰走轉子的碰磨，從而避免了彎軸、報死等重大惡性事故的發生。c)減少軸封漏汽，消除機組運行安全隱患d)擬制轉子擺動振幅，提高機組運行的穩定性4.1.2.2、經濟性：a)提高整機效率增加機組出力；b)減少機組啟動次數，降低啟動成本c).縮短大修工期和無需更換汽封備品4.1.2. 3、技術經濟效果持久4.2、蜂窩汽封蜂窩密封的產生是由于蜂窩結構的剛性和材料的耐高溫、柔韌性而應用在特定條件下，如：飛機發動機、大型汽輪機低壓末級、次末級葉頂汽封（自由葉片）、以及對材料

13、有特殊要求的燃氣輪機機等。其結構如圖6圖6其結構特點：在原傳統汽封的汽封齒部位采用蜂窩帶，如果機組原汽封為長、短齒形式，則只將短齒部位采用蜂窩帶代替，背部仍采用板簧結構。蜂窩材料（HastelloyX海斯特鎳合金）原創是美國，由于蜂窩結構的剛性和材料的耐高溫、柔韌性而應用在特定條件下，如：飛機發動機、大型汽輪機低壓末級、次末級葉頂汽封（自由葉片）、以及對材料有特殊要求的燃機等。自80年代出現以來，世界尚無著名汽輪機制造商在大型火力發電汽輪機軸封上成功應用的范例，如果蜂窩材料在大型汽輪機軸封上封嚴效果比傳統梳齒汽封更優越，20多年來，有足夠的時間予以證明和推廣普及應用。目前沒有完善的理論和實踐證

14、明在大型火力發電汽輪機軸封處，采用蜂窩密封比傳統梳齒密封封嚴效果更好根據理論分析及應用實踐效果，蜂窩在低壓缸末級、次末級葉頂部位，利用其蜂窩表面積大、對水的吸附作用強的特點，防止動葉的水侵蝕效果良好。但是對于在梳齒汽封中應用蜂窩材料密封來說，由于加裝蜂窩帶而取消了短齒，從而減小了蒸汽膨脹空間，使蒸汽從長齒間隙噴泄后直接進入到凸臺間隙，由于泄漏蒸汽的動能沒有在長齒和凸臺之間有充足的空間充分轉化為勢能，從而使凸臺間隙漏汽速度增加，增加了蒸汽泄露量。因此，對應于轉子為“長城臺”結構形式的梳齒汽封，取消短齒而加裝蜂窩帶的密封效果并不比原梳齒結構形式的汽封更佳。另外，在隔板及軸端部位，由于這些部位的汽封

15、前后壓差大、過臨界轉速時轉子振動較大等原因，該結構沒能較好解決機組啟停機過程中由于振動大而造成汽封與轉子的動靜碰磨問題，雖然改造后初期有一定的效果，但隨著機組啟停次數的增多，其磨損量逐步加大，其特征與傳統汽封相同，也就失去了改造的意義。同時，由于碰磨原因及蜂窩材料的特性，蜂窩邊緣會出現“倒伏”，對于較小的蜂窩（目前在軸端及隔板部分機組嘗試使用蜂窩邊長為1.6mm的汽封），會使蜂窩“堵死”，造成蒸汽在流經環形孔口進入環形汽室后，由于環形汽室空間變小，蒸汽不能有效膨脹，反而使漏汽較改前有所增加。陽邏、漢川等電廠300MW機組配套的小汽及軸封改造的運行實踐證明了這一點。4.3、接觸式汽封該技術是受原

16、炭精汽封、浮動式油檔結構的啟示，在原傳統汽封齒側中部加裝非金屬浮動環，背部仍采用板簧結構形式。（見圖7）圖7其設計意圖是利用將浮動環與轉子的徑向工作間隙調整為0，以達到減少漏汽的目的。機組在實際運行過程中，尤其是過臨界轉速時，轉子的跳動是較大的，而此時的轉速又是較高，因此，其磨損是不可避免的。在機組初次安裝后開始運行階段，由于磨損小，會有一定的效果，但隨著機組啟停次數的增多，其磨損量逐步加大，其特征與傳統汽封相同，因此也就失去了改造的意義。成都熱電、寧夏石嘴山等電廠運行實踐驗證了這一點。另外，該結構對安裝要求高，如果在安裝過程中控制不好，會造成機組啟動困難、振動大、浮動環破裂，給機組的安全運行

17、帶來了不利影響。五、汽封密封效果的保證措施a)查找變形，確定合理靜態間隙，確保最佳動態間隙。對于缸體、汽封套變形量大或轉子跑偏的機組，在安裝汽封前，均先調查了解機組運行狀況、上次汽封調整情況記錄、本次檢修揭缸后各部位汽封間隙情況，通過扣實內、外缸并熱緊2/3螺栓查找變形等方法，合理設計汽封靜態調整量，使汽封與轉子的動態間隙達到最佳狀態。江蘇利港電廠#4機組的安裝調整實踐驗證了該工藝的可靠性、正確性。該機大修前后汽封漏汽專項試驗表明，高中壓平衡環漏汽率由改造前的2.47%下降到2.01%，低于設計值得2.31%，這主要得益于通過查找機組變形量，合理設計各部位間隙，使汽封與轉子的實際工作間隙由設計值的平衡環部位的0.75mm改為0.40.5mm，端汽封間隙由0.5mm改為0.25，該機組一次啟動成功。再次驗證了布萊登汽封良好的技術經濟性能。b)改進汽封背部結構形式，確保間隙測量可靠。原因進型300MW機組汽封背部