用雙齒尖側齒汽封改造汽輪機組高中壓缸軸封

蔣啟東

一、前言

汽輪機正常運行時由于主軸穿出汽缸處，存在徑向間隙，在壓差作用下，高壓端或高壓缸兩端汽缸內的蒸汽會向外泄漏，同時低壓端或低壓缸的兩側空氣會漏入汽缸。軸封漏汽不僅使機組汽耗增大、真空降低，而且易使汽輪機潤滑油中帶水，嚴重影響機組經濟和安全運行。

10號機組是東方汽輪機廠生產的高中壓合缸、兩缸兩排氣、單軸、沖動式、凝汽式的 N300-16.7（170）-537/537-4型亞臨界汽輪機。為兩缸兩排汽型式，高中壓部分采用合缸結構。高中壓外缸前后是一個完整的汽封系統，本機組采用自密封系統密封高中壓缸內蒸汽，防止蒸汽向缸外泄漏，同時，也防止空氣沿軸端進入破壞汽輪機真空。高中壓外缸兩端部裝有軸封，內缸的進汽端裝有高中壓間汽封，都采用高低齒梳齒式汽封。2012年2月對10號機組高中壓缸進行了高中壓后端軸封、高中壓間軸封改造，將梳齒汽封改為雙齒尖側齒汽封。

1.梳齒汽封原理

梳齒汽封是由許多尖齒和兩齒之間的環形汽室組成，如圖1所示。汽封齒有高有低，正好和軸套上的高低臺階相對應，這種汽封又稱為曲徑汽封或迷宮汽封。

可把汽封看成是由許多狹小通道及相間的小室串聯而成的，從側面看去，即為許多環形孔口和環形汽室。蒸汽從高壓側流向低壓側。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，例如，流過圖1中的第一孔口時，壓力由 P0降到 P1，比焓值由ha=h0降為hb。當蒸汽進入環形汽室E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，但壓力P1不變，蒸汽原來具有的動能變成熱能，重新加到蒸汽中去。軸封中蒸汽的散熱量與汽流的總熱量相比很小，可以忽略，故蒸汽的比焓值應由hb恢復到he，即恢復到原來的數值h0，比熵值由Sb增大到Sc，如圖2所示。蒸汽依次通過各軸封片時都發生這樣的過程。由此可見各處壓力依次減小 p0＞p1＞p2＞…＞pZ，而 h0=ha=hC=he=…=hZ。

如果近似認為各軸封孔口的環形漏氣面積A1都相等，而且通過各孔口的蒸汽流量ΔG1相同，則各孔口均有ΔGl=PA1cxρx或ΔG1/PA1=cxρx=常數。式中ΔG1為蒸汽流量，P為蒸汽壓力，A1為軸封漏汽面積，cx為蒸汽流速，ρx為蒸汽密度。

蒸汽依次流過各軸封片時不斷膨脹，蒸汽密度ρx不斷減小，在ΔG1和A1不變的條件下，由式（3）可見蒸汽流速 cx必然逐漸增大。也就是說，任何一片軸封孔口的汽流速度必然比前一片孔口的流速大，而比下一片孔口的流速小。由于流速大時比焓降也大，故任何一片軸封孔口的比焓降必然比前一片孔口的比焓降大，而比下一片孔口的比焓降小，也就是圖2中所示的：ab＜cd＜ef＜...。曲線bdfh稱為等流量曲線，或稱芬諾曲線。

由ΔGl=PA1cxρx可知，為減少軸封漏汽量，可以減少漏汽面積A1，即減少漏汽間隙δ。但δ太小，會發生汽封齒與軸之間的摩擦，引起事故，故δ一般在0.35～0.5mm，汽封齒越多（超過臨界值就不行了），每個齒分擔的壓降就越小，這就是梳齒汽封能減少漏汽的原因。

2.雙齒尖側齒汽封原理

側齒式汽封與傳統汽封外形相同，是在傳統迷宮汽封基礎上采用特殊工藝使汽封齒的側面具有細小的側向齒（圖3）。這樣會產生熱力學效應和加大摩阻效應，杜絕透氣效應，使汽體在側齒迷宮腔里的渦流動能轉化為熱能的過程更徹底，密封效果可提高72%以上，側齒結構還可減少環內氣隙流動、減少對軸振的影響。為避免脹差異常可能引起的高齒軸向碰磨，其中高齒仍采用原有的單齒尖結構，齒寬與齒尖寬與原汽封相同；低齒改造為雙齒尖結構，齒寬1.5mm，齒尖寬0.25mm，同時在高低齒的一側加工1-2道橫齒，齒尖采用高效、低泄漏流量系數的尖齒，齒尖夾角為8°。

方程 Δqm=Ac/V，Δqm為蒸汽漏汽質量流量（ kg/s）；A 為軸封漏汽環形面積（m2）；c為蒸汽流速（m/s）；V為蒸汽比體積（m3/kg）。在環形面積不變的情況下，減少漏汽量的另一方法是降低蒸汽的流速c，蒸汽流過齒隙的流速越小，漏汽量也就越小。側齒汽封除具有迷宮汽封節流過程以外，另外還加上渦街阻汽過程。渦街阻汽過程是在汽室內部人為增加溝槽及障礙物，使蒸汽產生小渦流形成渦街。蒸汽進入汽封齒后面的汽室，產生具有動能的渦街并相互碰撞摩擦，使動能全部消耗轉化為熱能，蒸汽流速轉化為渦街流速，一方面使流出汽室的汽流速度最低，另一方面使外部高壓蒸汽進入汽室能力降低。這即是側齒汽封的主要工作原理，也是側齒汽封性能優于梳齒汽封的原因（圖4）。

3.梳齒與雙齒尖側齒汽封對比分析

根據參考文獻1，采用側齒汽封漏汽量可減少28.39%，側齒汽封阻汽效果明顯。此外，采用雙齒尖側齒汽封的主要優越性在于：①安全，同種材料，相同外型尺寸，屬于傳統迷宮汽封的改良。②新的內部結構設計理念，保持原迷宮汽封的穩定可靠性。③側齒由特殊工藝在汽封體上加工而成，為一有機整體，安全可靠。④軸向空間有限，側齒汽封等于在相同的軸向空間內多加了幾道密封齒，氣流在腔室內的狀態呈紊流現象，起到很好的截流作用，能量轉換更徹底，密封效率更高。⑤傳統安裝方式，無需培訓。

二、改造前后效果對比

高壓后軸封汽封圈共有11圈，其中1#汽封套5圈，2#汽封套3圈，3#汽封套3圈；高中壓間軸封共有11圈，其中1#汽封套8圈，2#汽封套3圈；中壓后軸封8圈，其中1#汽封套5圈，2#汽封套3圈。共計30圈，改造成雙齒尖側齒汽封。

改造前，高中壓缸中壓后軸封向外漏汽嚴重，汽輪機潤滑油油中帶水現象也日趨嚴重，油中含水量達到8038mg/L，遠遠超過標準100mg/L，濾油機每天長期運行。雖然經過多次對軸封壓力進行調整，對軸承座氣密性油擋進行氣壓調整，但效果不大。10號機260MW順序閥工況下試驗的熱耗率為8329.1kJ/（kW·h），經過一類修正后的熱耗率為8476.3kJ/（kW·h），二類修正后的熱耗率為8520.8kJ/（kW·h）。260MW順序閥工況時測得高壓缸效率為80.19%。

改造后，化驗透平油含水58.74mg/L，低于標準100mg/L。10號機270MW順序閥工況下試驗的熱耗率為8219.7kJ/（kW·h），經過一類修正后的熱耗率為8366.9kJ/（kW·h），二類修正后的熱耗率為8367.7kJ/（kW·h）。260MW順序閥工況時測得高壓缸效率為84.42%。

改造后10號機組運行至今，所有指標均無變化，高壓缸效率比改造前提高了4.23%，熱耗率比改造前降低了153.1kJ/（kW·h），相當于降低供電煤耗2.86g/（kW·h），汽輪機油含水量指標一直合格。

1 劉網扣，張兆鶴.側齒汽封的研究與應用[C].大機組供熱改造與優化運行技術2010年會.2010

W13.03-31