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汽輪機(jī)汽封的型式、分類、對比
2023-03-08大型汽輪機(jī)就是由多個(gè)級組成,每個(gè)級都有動、靜兩部分組成,因此整個(gè)汽輪機(jī)也就由動、靜兩部分組成。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動與靜止部件之間必須留有一定的間隙,以防相互摩擦。由于汽缸內(nèi)外、隔板前后以及帶反動度的動葉兩側(cè)存在壓差,而相應(yīng)各處動靜部分之間又必須保持一定間隙以使它們不致相碰,因此必須設(shè)置汽封裝置。
汽輪機(jī)的汽封根據(jù)安裝的位置不同分為:軸端汽封(簡稱軸封)、隔板汽封、和通流部分汽封,分別用來防止汽輪機(jī)的軸端、隔板和動葉頂部、根部蒸汽的泄漏,其作用分別是防止外界空氣進(jìn)入汽輪機(jī),與汽輪機(jī)內(nèi)的蒸汽混合,減小蒸汽泄漏量,從而減少化學(xué)補(bǔ)水量和防止高位能的工作介質(zhì)向低位能流動。作為汽輪機(jī)的易損件和必備部件,汽輪機(jī)的汽封越來越引起從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員的關(guān)注。因?yàn)閺钠啓C(jī)運(yùn)行的測試結(jié)果可以看出汽輪機(jī)的漏汽損失約占內(nèi)部損失的1/3左右。近年隨著汽輪機(jī)汽封技術(shù)的不斷發(fā)展,汽輪機(jī)運(yùn)行的安全可靠性和機(jī)組熱效率都得到相應(yīng)的提高。
1、傳統(tǒng)汽封
目前被廣泛應(yīng)用于大、中、小型汽輪機(jī)的傳統(tǒng)汽封主要為迷宮式汽封。迷宮式汽封中根據(jù)斷面的形狀不同常用的有樅樹型汽封和梳齒式汽封。其中梳齒式汽封因其汽封成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠且易于安裝而被廣泛應(yīng)用。梳齒式迷宮汽封的密封機(jī)理是在汽封環(huán)的內(nèi)圓及汽封套筒(高溫部分為轉(zhuǎn)子大軸)的外圓上車有許多相互配合的梳齒及凹凸肩,組成微小的環(huán)形間隙(稱汽封間隙)及蒸汽膨脹室,以阻止蒸汽的泄漏。汽封環(huán)時(shí)借助外圓上兩凸肩安裝在軸封套(隔板)內(nèi)圓車出的T型槽道內(nèi)。每道汽封環(huán)分成六個(gè)弧塊(稱為汽封塊),每個(gè)汽封塊與軸封套(隔板)之間裝有兩片彈簧片,使汽封塊呈彈性壓向中心,從而保持動靜部分的Z小間隙。
傳統(tǒng)梳齒式迷宮汽封安裝好后,汽封間隙在無碰摩情況下運(yùn)行中就始終保持不變。在正常安裝后,如果汽封間隙過大,就會引起蒸汽的泄漏增加,導(dǎo)致汽輪機(jī)組熱效率的降低;如果汽封間隙設(shè)置得太小,機(jī)組開、停機(jī)過程過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子可能發(fā)生較大振動,就會導(dǎo)致汽封齒與轉(zhuǎn)子發(fā)生擦碰。雖然當(dāng)汽封塊與轉(zhuǎn)子發(fā)生摩擦?xí)r,汽封塊背面彈簧片能使汽封塊向外退讓,減小摩擦壓力,但卻不能避免摩擦,輕者會造成汽封齒磨損,增大汽封間隙進(jìn)而增大熱耗。當(dāng)擦碰嚴(yán)重時(shí),會使汽封齒變形、變脆甚至破裂,同時(shí)隔板的徑向軸封與轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的擦碰會使轉(zhuǎn)子局部受熱,產(chǎn)生熱變形導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲,導(dǎo)致汽封齒的進(jìn)一步磨損,加大徑向汽封與轉(zhuǎn)子之間的間隙。因此考慮到轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速的振動,傳統(tǒng)梳齒式迷宮汽封安裝時(shí)徑向間隙一般為0.60~0.80mm,根據(jù)轉(zhuǎn)子不同情況,有的間隙更大。
2、蜂窩汽封
所謂蜂窩式密封,是在靜子密封環(huán)的內(nèi)表面上由規(guī)整的蜂巢菱形狀的正六面體的小蜂窩孔狀的密封帶狀物構(gòu)成,其材料是由厚度僅為0.05~0.10mm的鎳基耐溫薄板在特殊成型設(shè)備上制成的正六面體網(wǎng)格型材,再經(jīng)過特殊焊接設(shè)備焊接而成,根據(jù)密封環(huán)尺寸制成的蜂窩帶在真空釬爐中通過真空釬焊技術(shù)焊接在母體密封上,而形成了蜂窩式密封,如圖1所示。
圖1 蜂窩汽封
蜂窩汽封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是,將傳統(tǒng)汽封低齒車削,由蜂窩狀汽封取代,蜂窩是由六邊形孔連片組成,六邊形單邊尺寸為2~3mm。蜂窩汽封由于具有較寬的密封帶,改變了傳統(tǒng)直形汽封低齒齒數(shù)由于受結(jié)構(gòu)限制,只能布置很少(一般1~2齒)的缺點(diǎn),仍保留汽封高齒。相當(dāng)于增加了汽封齒數(shù)量,加大了汽流阻力,提高了密封效果。蜂窩汽封退讓仍采用傳統(tǒng)汽封的背部板彈簧結(jié)構(gòu),所以安裝間隙一般取傳統(tǒng)汽封徑向間隙設(shè)計(jì)值的上限。與現(xiàn)傳統(tǒng)高、低齒結(jié)構(gòu)汽封相比,由于齒數(shù)量相對增加很多,從而密封效果大大提高,汽封由于仍采用原傳統(tǒng)汽封退讓結(jié)構(gòu),在啟動過程中可能會產(chǎn)生碰磨,但由于蜂窩材質(zhì)較軟,不會產(chǎn)生大的影響,如航空渦輪機(jī)(轉(zhuǎn)速40000r/min,工作溫度1000~1500℃)上采用,由于渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸較短,無法設(shè)計(jì)退讓汽封,而采用固定的結(jié)構(gòu),有碰磨時(shí)損傷的是蜂窩汽封,而不會對軸產(chǎn)生影響。
3、布萊登汽封
由于傳統(tǒng)汽封的結(jié)構(gòu)密封特點(diǎn)又考慮到轉(zhuǎn)子的振動無法將汽封間隙調(diào)到更小,因而機(jī)組漏汽損失就不能進(jìn)一步減小,機(jī)組熱效率很難進(jìn)一步提高。隨著汽封技術(shù)的發(fā)展,又從美國引進(jìn)一種新型可調(diào)式汽封——布萊登汽封。這種汽封可以使汽封間隙調(diào)到更小的0.35~0.45mm,運(yùn)行中又可以避免轉(zhuǎn)子過臨界時(shí)振動過大而與汽封的擦碰。布萊登汽封取消了傳統(tǒng)汽封背部的板彈簧,取而代之的是在每圈汽封弧段端面處加裝了四只螺旋彈簧。自由狀態(tài)時(shí),在彈簧力作用下,汽?弧塊是處于張開狀態(tài)而遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子;機(jī)組啟機(jī)時(shí),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漸增大,當(dāng)這一壓力足以克服彈簧應(yīng)力、摩擦阻力等時(shí),汽封弧塊開始逐漸關(guān)閉,直至處于工作狀態(tài),并始終保持與轉(zhuǎn)子的Z小間隙運(yùn)行;停機(jī)時(shí),隨著蒸汽流量的減小,在彈簧應(yīng)力作用下,推動汽封弧塊遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子。使汽封與轉(zhuǎn)子的徑向間隙達(dá)到Z大值。這就解決了傳統(tǒng)汽封存在的機(jī)組開、停機(jī)過程中存在轉(zhuǎn)子過臨界時(shí)振動過大而造成汽封碰摩問題。因而布萊登汽封得到廣泛的應(yīng)用。
4、接觸式汽封
可調(diào)式汽封進(jìn)一步縮小了汽封間隙,并提高了機(jī)組安全性,但畢竟還存在汽封間隙和漏汽損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近幾年哈爾濱通能電氣股份有限公司又開發(fā)研制出一種新產(chǎn)品——接觸式汽封。這種汽封可以使汽封間隙調(diào)整到零,即汽封齒可以和轉(zhuǎn)子大軸直接接觸。這種汽封是在傳統(tǒng)梳齒式汽封塊中間開槽,加裝一道可以與轉(zhuǎn)子直接接觸的汽封齒。這種汽封齒材料為復(fù)合塑料,具有自潤滑特性,可以耐溫700℃,具有耐磨性。設(shè)計(jì)安裝時(shí)具有自動跟蹤轉(zhuǎn)軸偏擺及晃動性能,徑向后退量2.5mm,徑向前進(jìn)量0.5mm,具有很高靈敏度。同時(shí)具有精確限位裝置,能使汽封齒始終與轉(zhuǎn)軸零間隙運(yùn)行。這種新型汽封開始主要應(yīng)用在汽輪機(jī)排汽缸軸端汽封上,效果很理想?,F(xiàn)在逐漸開始在高壓缸隔板汽封和軸封上應(yīng)用。
5、刷式汽封:
刷式密封Z早應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)上,后有GE公司運(yùn)用在工業(yè)燃?xì)馐狡啓C(jī)上,應(yīng)用效果顯著。90年代傳入國內(nèi),開始在運(yùn)用在蒸汽輪機(jī)上。
在原有汽封基礎(chǔ)上加裝一圈刷式密封條,此刷封條代替原來的高齒,高度要比原高齒要高,因減小了汽封間隙,從而減少了漏氣,其刷封部分的刷絲是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向排列一圈耐高溫的鈷基合金絲,可以耐1200攝氏度以上的高溫不變形,運(yùn)行時(shí),散開的刷絲束類似于防護(hù)林的風(fēng)阻效果,起到密封效果,并且可以適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)跳動,恢復(fù)原有的汽封間隙,能長期保證使用效果。因?yàn)樗⒔z有彈性,也不會對機(jī)組振動造成大的影響。不受位置及壓力的影響,應(yīng)用范圍較廣,效果較明顯。
6、DAS汽封:
此種汽封也叫“大齒汽封”,其結(jié)構(gòu)形式與梳齒類似,但汽封塊兩側(cè)的高齒部分齒寬加厚,它與軸的徑向間隙略小于其它齒,并采用鐵素體類材料將其嵌入汽封塊中,與轉(zhuǎn)子摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量小,不易彎軸。開機(jī)過臨界時(shí)如產(chǎn)生碰磨就會先與大齒磨,由于它厚不易磨掉故不會磨到其它的齒,保證正常運(yùn)行時(shí)的汽封間隙。
汽封型式的選擇
1、汽封的特性和密封效果主要取決于三個(gè)因素,從當(dāng)前實(shí)際使用中存在的問題分析,以影響效果的大、小為序,首先是,汽封安裝結(jié)構(gòu)型式;其次是,改造位置和數(shù)量;再次是,密封的徑向間隙大小。
2、從試驗(yàn)結(jié)果表明:無論是哪一種新型汽封,均能達(dá)到較好的效果,但應(yīng)根據(jù)各自的技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和實(shí)際狀況,因地制宜的使用。關(guān)鍵是汽封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝與質(zhì)量和安裝技術(shù)水平,否則無法達(dá)到應(yīng)有的效果。
3、依據(jù)各缸內(nèi)效率的高、低,判斷與決策對汽封是否修復(fù)或更換和效果,不夠科學(xué)和全面。評估汽封的效果應(yīng)根據(jù)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),改進(jìn)前、后選用相同部位測點(diǎn)和試驗(yàn)條件,對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷。
4、各型式汽封優(yōu)缺點(diǎn)對比表
(來源:集控值班員)