论文部分内容阅读
摘要：介绍汽轮机传统汽封及各类新型汽封的结构及特点，并对比分析了各类新型汽封的优缺点。
关键词：汽轮机；汽封；对比分析
中图分类号：U664.113 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
某电厂600MW超临界汽轮机组在额定参数和铭牌功率下，热耗率及发电煤耗率与设计值差距较大。通过性能试验发现存在以下主要问题：汽轮机的高、中、低压缸相对内效率均达不到设计值，以低压缸相对内效率尤为突出；轴端汽封、平衡盘汽封、各级通流汽封漏汽量大等。该汽轮机隔板汽封、轴端汽封等各级汽封采用的均是传统的迷宫式汽封，迷宫式汽封从其结构、密封原理分析，无法更有效的减小级间、轴端漏汽，因此汽封改造是提高汽轮机本体效率的主要手段，而汽封改造的首要关键是汽封选型。
2各类汽封型式介绍
2.1传统汽封（迷宫式汽封）
2.1.1传统汽封的结构
迷宫汽封一般由汽封套、汽封环两部分组成（图1）。汽封套固定在汽缸上，内有T形槽道(隔板汽封一般不用汽封套，在隔板体上直接车有T形楷)。汽封环一般由6～8块汽封块组成，装在汽封套T形槽道内，并用弹簧片压住在汽封环的内圆，迫使汽封齿和转子保持最小间隙，有相互配合的梳齿及凹凸肩，形成蒸汽通道和膨胀室。
图1迷宫汽封示意图
2.1.2传统迷宫汽封的特点
迷宫汽封是非接触密封，无固相摩擦，不需润滑，适用于高温、高压、高速和大尺寸密封条件。
迷宫汽封工作可靠，功耗少，维护简便，寿命长。
迷宫汽封泄漏量较大。如增加迷宫级数，采取抽汽辅助密封手段，可把泄漏量减小，但要做到完全不漏是困难的。
2.2布莱登汽封
2.2.1布莱登汽封的结构
布莱登汽封弧段结构与传统汽封弧段基本相同，取消了传统汽封背部的板式弹簧，取而代之在汽封端部加装了4只螺旋弹簧，在汽封弧块进汽侧铣出进汽道，工作时通过汽封脖径出汽侧与汽封槽体的紧密结合形成密封腔室（图2）。自由状态下，布莱登汽封在弹簧的张力下张开，远离转子；机组启机时，随着蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧块背部的蒸汽压力逐步增大，当这一压力足以克服弹簧应力、摩擦阻力等时，汽封弧块开始逐级关闭，直至处于工作状态，并始终保持与转子的最小间隙值运行；停机时，随蒸汽流量的减小，在弹簧应力的作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转子的径向间隙达到最大值。
图2布莱登汽封示意图
2.2.2 布莱登汽封的特点
机组启停机过程中，汽封能够主动远离转子，避免与转子产生碰磨而使机组启停变得十分顺畅。
机组事故状态下，能够有效避免事故进一步恶化。布莱登汽封是靠汽轮机缸体内蒸汽压力的作用而与转子保持较小间隙运行，当机组因突发事故，引起转子振动超标时，保护系统会立即跳闸，切断本体通流供汽，汽缸压力随即降低，布莱登汽封失去蒸汽的关闭压力，在弹簧应力的作用下张开，避免了与惰走转子的碰磨，从而避免了弯轴、报死等重大恶性事故的发生。
减少轴封漏汽，消除机组运行安全隐患。
拟制转子摆动振幅，提高机组运行的稳定性。
提高整机效率增加机组出力。
减少机组启动次数，降低启动成本。
缩短大修工期和无需更换汽封备品。
2.3侧齿汽封
2.3.1侧齿汽封的结构
侧齿式汽封与传统汽封外形相同(图3)，应用在汽轮机上最擅长轴封及隔板位置密封。它是在传统迷宫汽封基础上采用特殊工艺使汽封齿的侧面具有细小的侧向齿，使腔室底部也增加底齿。这样会产生热力学效应和加大摩阻效应，杜绝透气效应，使汽体在侧齿迷宫腔里的涡流动能转化为热能彻底，密封效果提高72%以上，侧齿结构可减少环内气隙流动、减少对轴振的影响。
图3侧齿汽封示意图
2.3.2侧齿汽封的特点
比较安全，同种材质，相同外型尺寸，属于传统迷宫汽封的改良。
不同内部结构的设计理念，保持原迷宫汽封的稳定可靠性。
侧齿乃特殊工艺在汽封体上加工而成，为一有机整体，安全可靠。
轴向空间有限，侧齿汽封等于在相同的轴向空间内多加了几道密封齿，气流在腔室内的状态呈紊流现象，起到非常好的截流作用，能量转换更为彻底，更有效提高密封效率。
传统安装方式，无需培训。
2.4蜂窝式汽封
2.4.1蜂窝式汽封的结构
蜂窝密封的产生是由于蜂窝结构的刚性和材料的耐高温、柔韧性而应用在特定条件下，如：飞机发动机、大型汽轮机低压末级、次末级叶顶汽封（自由叶片）、以及对材料有特殊要求的燃气轮机机等，其结构如图4。
图4 蜂窝式汽封示意图
2.4.2蜂窝式汽封的特点
在原有汽封的基础上，只改变汽封的结构形式，其汽封间隙维持在机组设计值，可以有效的的减少汽封的泄漏量。
蜂窝汽封最适合叶顶处，特别是低压缸部分，能有效的吸附叶顶的水分。
由于蜂窝带与轴是宽面接触，若间隙不当，开机过程中发生碰磨时易引起机组振动，导致起不来机，间隙过大又导致效果不理想。
汽封运行一段时间后，蜂窝带窝孔积垢严重，会导致蜂窝失去作用。
使用寿命短，由于汽封蜂窝带结垢不易清理，给大修时修刮带来难度，使用寿命短。
2.5刷式汽封
2.5.1刷式汽封的结构
刷式汽封主要有两种结构，如图5所示，一种将鬃毛组件与侧板焊接在一起见图（a），另一种将鬃毛包裹在一根金属丝上见图（b），然后夹紧固定在前后板之间的一个环形管内。
刷式汽封的鬃毛径向向内伸展，将其末端加工以适合转子表面，為了适应转子的径向运动，鬃毛沿轴旋转方向布置成45°，当受热时，鬃毛与转子表面轻微软接触，其弹性使其追踪转子的径向偏移，在下游侧，后板限制鬃毛因压力导致的挠曲；当冷态时，鬃毛的尖端刚离开转子并且其间隙恰好适合在运行中通过热膨胀和或压力闭合。转子与后板之间的间隙是确定刷式汽封承压能力的一个关键参数，此间隙需要尽量减小，但又以在任何运行条件下避免接触转子为准。
图5 刷式汽封示意图
刷式汽封理论上是可减少蒸汽的泄漏量，但通过减少现有间隙实际的密封效果因国内没有大面积使用，只在小机组上和燃机上有应用 。
2.5.2刷子汽封的性能特点
属于小间隙汽封，可以有效的的减少汽封的泄漏量。
由于间隙过小，开机过程中发生碰磨时易引起机组振动，导致起不来机。
刷子汽封在电厂的使用业绩较少，据了解北海电厂曾使用刷子汽封对小机进行改造，但效果不好。
3各类新型汽封的对比分析
3.1布来登汽封
安全性较高。
可用于压力较高的地方，但不适用于端部汽封。
一旦出现弹簧失效就抱死，弹簧张开会出现较大的泄漏。
安装时无轻微碰磨，运行时无法估量真正间隙状态。
3.2侧齿汽封
安全系数高，密封原理接近传统汽封。
使用寿命长。
适用于低压缸端部汽封和高中压缸所有汽封。
3.3蜂窝汽封
安装要求较高，与转子接触面积大，一旦磨损就要更换。
经济效益不大，主要是低压缸去湿保护末级叶片。
擅长低压转子叶顶汽封。
3.4刷式汽封
与轴颈直接接触，有磨损消耗，有一定的更换周期，且高中压缸压力高的部位不适合用刷式汽封。
适用于低压汽封。
成本较高。
4总结
4.1 从各类汽封结构及特点来看，更换新型汽封可以更加有效地减少级间或轴端漏汽，从而提高汽轮机本体效率，达到节能降耗的目的。
4.2 鉴于新型汽封型式较多，各类汽封均有其优缺点，故选择合适的汽封型式是汽封改造的关键。
4.3 汽封改造前需详细了解各类汽封在600MW超临界汽轮机组上的实际应用效果，为汽封选型提供参考依据。
4.4 选好汽封型式后，需制定合理的安装方案，确保机组启动正常并保证节能效果。
[作者简介] 李家锋（1981－），男，广东红海湾发电有限公司工程师。主要从事汽轮机技术监督和管理工作。
关键词：汽轮机；汽封；对比分析
中图分类号：U664.113 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
某电厂600MW超临界汽轮机组在额定参数和铭牌功率下，热耗率及发电煤耗率与设计值差距较大。通过性能试验发现存在以下主要问题：汽轮机的高、中、低压缸相对内效率均达不到设计值，以低压缸相对内效率尤为突出；轴端汽封、平衡盘汽封、各级通流汽封漏汽量大等。该汽轮机隔板汽封、轴端汽封等各级汽封采用的均是传统的迷宫式汽封，迷宫式汽封从其结构、密封原理分析，无法更有效的减小级间、轴端漏汽，因此汽封改造是提高汽轮机本体效率的主要手段，而汽封改造的首要关键是汽封选型。
2各类汽封型式介绍
2.1传统汽封（迷宫式汽封）
2.1.1传统汽封的结构
迷宫汽封一般由汽封套、汽封环两部分组成（图1）。汽封套固定在汽缸上，内有T形槽道(隔板汽封一般不用汽封套，在隔板体上直接车有T形楷)。汽封环一般由6～8块汽封块组成，装在汽封套T形槽道内，并用弹簧片压住在汽封环的内圆，迫使汽封齿和转子保持最小间隙，有相互配合的梳齿及凹凸肩，形成蒸汽通道和膨胀室。
图1迷宫汽封示意图
2.1.2传统迷宫汽封的特点
迷宫汽封是非接触密封，无固相摩擦，不需润滑，适用于高温、高压、高速和大尺寸密封条件。
迷宫汽封工作可靠，功耗少，维护简便，寿命长。
迷宫汽封泄漏量较大。如增加迷宫级数，采取抽汽辅助密封手段，可把泄漏量减小，但要做到完全不漏是困难的。
2.2布莱登汽封
2.2.1布莱登汽封的结构
布莱登汽封弧段结构与传统汽封弧段基本相同，取消了传统汽封背部的板式弹簧，取而代之在汽封端部加装了4只螺旋弹簧，在汽封弧块进汽侧铣出进汽道，工作时通过汽封脖径出汽侧与汽封槽体的紧密结合形成密封腔室（图2）。自由状态下，布莱登汽封在弹簧的张力下张开，远离转子；机组启机时，随着蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧块背部的蒸汽压力逐步增大，当这一压力足以克服弹簧应力、摩擦阻力等时，汽封弧块开始逐级关闭，直至处于工作状态，并始终保持与转子的最小间隙值运行；停机时，随蒸汽流量的减小，在弹簧应力的作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转子的径向间隙达到最大值。
图2布莱登汽封示意图
2.2.2 布莱登汽封的特点
机组启停机过程中，汽封能够主动远离转子，避免与转子产生碰磨而使机组启停变得十分顺畅。
机组事故状态下，能够有效避免事故进一步恶化。布莱登汽封是靠汽轮机缸体内蒸汽压力的作用而与转子保持较小间隙运行，当机组因突发事故，引起转子振动超标时，保护系统会立即跳闸，切断本体通流供汽，汽缸压力随即降低，布莱登汽封失去蒸汽的关闭压力，在弹簧应力的作用下张开，避免了与惰走转子的碰磨，从而避免了弯轴、报死等重大恶性事故的发生。
减少轴封漏汽，消除机组运行安全隐患。
拟制转子摆动振幅，提高机组运行的稳定性。
提高整机效率增加机组出力。
减少机组启动次数，降低启动成本。
缩短大修工期和无需更换汽封备品。
2.3侧齿汽封
2.3.1侧齿汽封的结构
侧齿式汽封与传统汽封外形相同(图3)，应用在汽轮机上最擅长轴封及隔板位置密封。它是在传统迷宫汽封基础上采用特殊工艺使汽封齿的侧面具有细小的侧向齿，使腔室底部也增加底齿。这样会产生热力学效应和加大摩阻效应，杜绝透气效应，使汽体在侧齿迷宫腔里的涡流动能转化为热能彻底，密封效果提高72%以上，侧齿结构可减少环内气隙流动、减少对轴振的影响。
图3侧齿汽封示意图
2.3.2侧齿汽封的特点
比较安全，同种材质，相同外型尺寸，属于传统迷宫汽封的改良。
不同内部结构的设计理念，保持原迷宫汽封的稳定可靠性。
侧齿乃特殊工艺在汽封体上加工而成，为一有机整体，安全可靠。
轴向空间有限，侧齿汽封等于在相同的轴向空间内多加了几道密封齿，气流在腔室内的状态呈紊流现象，起到非常好的截流作用，能量转换更为彻底，更有效提高密封效率。
传统安装方式，无需培训。
2.4蜂窝式汽封
2.4.1蜂窝式汽封的结构
蜂窝密封的产生是由于蜂窝结构的刚性和材料的耐高温、柔韧性而应用在特定条件下，如：飞机发动机、大型汽轮机低压末级、次末级叶顶汽封（自由叶片）、以及对材料有特殊要求的燃气轮机机等，其结构如图4。
图4 蜂窝式汽封示意图
2.4.2蜂窝式汽封的特点
在原有汽封的基础上，只改变汽封的结构形式，其汽封间隙维持在机组设计值，可以有效的的减少汽封的泄漏量。
蜂窝汽封最适合叶顶处，特别是低压缸部分，能有效的吸附叶顶的水分。
由于蜂窝带与轴是宽面接触，若间隙不当，开机过程中发生碰磨时易引起机组振动，导致起不来机，间隙过大又导致效果不理想。
汽封运行一段时间后，蜂窝带窝孔积垢严重，会导致蜂窝失去作用。
使用寿命短，由于汽封蜂窝带结垢不易清理，给大修时修刮带来难度，使用寿命短。
2.5刷式汽封
2.5.1刷式汽封的结构
刷式汽封主要有两种结构，如图5所示，一种将鬃毛组件与侧板焊接在一起见图（a），另一种将鬃毛包裹在一根金属丝上见图（b），然后夹紧固定在前后板之间的一个环形管内。
刷式汽封的鬃毛径向向内伸展，将其末端加工以适合转子表面，為了适应转子的径向运动，鬃毛沿轴旋转方向布置成45°，当受热时，鬃毛与转子表面轻微软接触，其弹性使其追踪转子的径向偏移，在下游侧，后板限制鬃毛因压力导致的挠曲；当冷态时，鬃毛的尖端刚离开转子并且其间隙恰好适合在运行中通过热膨胀和或压力闭合。转子与后板之间的间隙是确定刷式汽封承压能力的一个关键参数，此间隙需要尽量减小，但又以在任何运行条件下避免接触转子为准。
图5 刷式汽封示意图
刷式汽封理论上是可减少蒸汽的泄漏量，但通过减少现有间隙实际的密封效果因国内没有大面积使用，只在小机组上和燃机上有应用 。
2.5.2刷子汽封的性能特点
属于小间隙汽封，可以有效的的减少汽封的泄漏量。
由于间隙过小，开机过程中发生碰磨时易引起机组振动，导致起不来机。
刷子汽封在电厂的使用业绩较少，据了解北海电厂曾使用刷子汽封对小机进行改造，但效果不好。
3各类新型汽封的对比分析
3.1布来登汽封
安全性较高。
可用于压力较高的地方，但不适用于端部汽封。
一旦出现弹簧失效就抱死，弹簧张开会出现较大的泄漏。
安装时无轻微碰磨，运行时无法估量真正间隙状态。
3.2侧齿汽封
安全系数高，密封原理接近传统汽封。
使用寿命长。
适用于低压缸端部汽封和高中压缸所有汽封。
3.3蜂窝汽封
安装要求较高，与转子接触面积大，一旦磨损就要更换。
经济效益不大，主要是低压缸去湿保护末级叶片。
擅长低压转子叶顶汽封。
3.4刷式汽封
与轴颈直接接触，有磨损消耗，有一定的更换周期，且高中压缸压力高的部位不适合用刷式汽封。
适用于低压汽封。
成本较高。
4总结
4.1 从各类汽封结构及特点来看，更换新型汽封可以更加有效地减少级间或轴端漏汽，从而提高汽轮机本体效率，达到节能降耗的目的。
4.2 鉴于新型汽封型式较多，各类汽封均有其优缺点，故选择合适的汽封型式是汽封改造的关键。
4.3 汽封改造前需详细了解各类汽封在600MW超临界汽轮机组上的实际应用效果，为汽封选型提供参考依据。
4.4 选好汽封型式后，需制定合理的安装方案，确保机组启动正常并保证节能效果。
[作者简介] 李家锋（1981－），男，广东红海湾发电有限公司工程师。主要从事汽轮机技术监督和管理工作。