汽封壓力調整器改進設計及試驗研究

張皓宇，彭 杉，張 碩

（海軍駐第七○四研究所軍事代表室，上海 200031）

汽封壓力調整器改進設計及試驗研究

張皓宇，彭 杉，張 碩

（海軍駐第七○四研究所軍事代表室，上海 200031）

針對某汽封壓力調節器汽封系統壓力波動較大的問題，通過理論分析與計算，得出了影響汽封系統壓力波動的主要原因，發現汽封壓力波動的主要原因為噴油嘴尺寸調整不當或進汽窗口與排汽窗口型線不匹配，進而針對兩種可能的原因，加工調節套筒及不同通徑噴油嘴試驗件并進行配機試驗。通過試驗表明，影響汽封系統壓力波動的主要原因為噴油嘴通徑調整不當，當改變噴油嘴通徑為φ2.5mm時，可維持汽封系統壓力與汽封抽汽系統壓力在技術要求規定值之內，并可大幅減少汽封系統壓力波動。

汽封系統；波動；噴油嘴

0 引言

汽輪機汽封系統是為了防止汽輪機轉子穿出汽缸處由蒸汽從前汽缸內向外泄漏而進入艙室；或空氣漏入后汽缸內影響機組真空，蒸汽泄露至前軸承座內會導致潤滑油中含水，因此汽封系統設計的好壞，將直接影響機組的安全性及經濟性。

本汽輪發電機組熱力系統在汽輪機前后汽缸處分別設置前后汽封，前后汽封由兩個獨立的汽封腔室與汽封抽汽腔室組成，其中汽封腔室的微正壓通過汽封壓力調整器進行調整，通過抽汽器實現汽封抽汽腔室的微負壓。同時，由前汽封腔室與后汽封腔室通過支管進行連接，保證在高參數高負荷工況下，從主汽門調節閥桿處的漏氣可順利的進入前后汽封腔室內，以提高汽輪發電機組的經濟性。

圖1為汽封壓力調整器結構圖，主要由動力油腔室和蒸汽腔室組成，主油泵出口高壓油作為動力油控制調節閥桿的上下移動，蒸汽腔室的汽封系統壓力作為動力信號控制動力油的排放。當汽封壓力調整器出口壓力增加時，通過與汽封系統出口相連接的信號管使蒸汽腔室的汽封系統壓力增加，通過蒸汽腔室的波紋管使彈簧板的撓度增加，從而導致彈簧板與噴油嘴的間隙減少。當彈簧板與噴油嘴之間的間隙減少時，從間隙泄漏的滑油減少，滑油腔室內的動力油增加，調節閥桿下移，調節閥桿通過套筒使進汽窗口減少，排汽窗口增加，汽封系統壓力開始減少；當汽封壓力調整器出口汽封系統壓力減少時，通過與汽封系統出口管路相連接的信號管使蒸汽腔室的汽封系統壓力減少，通過蒸汽腔室的波紋管使彈簧板的撓度減少，從而導致彈簧板與噴油嘴的間隙增加。當彈簧板與噴油嘴之間的間隙增加時，從間隙泄漏的滑油增加，滑油腔室內的動力油減少，調節閥桿上移，調節閥桿通過套筒使進汽窗口增加，排汽窗口減少，汽封系統壓力開始增加。如此循環，自動實現汽封系統壓力為恒定值。

圖1 汽封壓力調節器結構圖

1 汽封壓力調節器運行情況

汽輪發電機組在前期試驗過程中，對汽封壓力調整器的熱力性能參數進行了試驗，試驗分別在低參數和高參數工況下進行。圖2為試驗時的汽封壓力在各個工況點的變化圖。可看到，汽封壓力調節器出口汽封系統壓力基本穩定在0.01MPa～0.06MPa，并且存在較大的波動，與技術要求規定值0MPa～0.02MPa存在一定的差異。

圖2 高低參數工況汽封系統壓力波動圖

圖3為汽輪發電機組在試驗期間24h內汽封系統壓力波動圖。可看到，汽封系統壓力基本維持在0.01MPa～0.06MPa，波動較大，雖然汽封壓力與技術規定值存在一定差異，且仍然能保證機組的正常運行 ，但尚有進一步優化改進的潛力。

圖3 循環工況汽封系統壓力波動圖

2 汽封壓力調整器優化改進方案

2.1 汽封系統壓力波動原因分析

影響汽封壓力調整器出口系統壓力及抽汽系統壓力的主要因素為彈簧板與噴油嘴之間的距離、彈簧板與波紋管頂針之間的距離、補汽與排汽窗口型線及位置等。在使用過程中，主要是通過調整調整螺釘，調整彈簧板與噴油嘴及彈簧板與頂針的距離，實現汽封系統壓力為0MPa～0.02MPa，汽封抽汽系統壓力為-0.02MPa～0MPa。

根據試驗及運行情況，認為引起汽封系統壓力偏高的主要原因為：

1）調節套筒型線不當。當汽封系統壓力升高時，波紋管伸長，彈簧板撓度減少，汽封壓力開始減少，但當波紋管已經達到伸長量的極限，此時調節閥桿不再向下運動，此時，仍不能有效控制進氣量，因而汽封系統壓力不能降低到0MPa～0.02MPa。

2）噴油嘴孔徑不當，目前樣機噴油嘴孔徑為φ3，當汽封系統壓力升高時，波紋管伸長，彈簧板撓度減少，汽封壓力開始減少，但當噴嘴孔徑過大時，噴油量增加，此時動力油不能有效的控制調節閥桿向下運動，因而不能有效控制進氣量，從而汽封系統壓力不能降低到0MPa～0.02MPa。

3）汽封系統壓力波動的主要原因為汽封壓力調節器波紋管頂針與彈簧片之間的間隙以及彈簧片與噴油嘴之間的間隙尚未調整至最佳狀態。

2.2 汽封系統壓力改進方案

通過對汽封壓力調整器汽封系統壓力偏大及波動原因分析，擬采用如下兩種方案對汽封壓力調整器進行優化改進：

1）對汽封壓力調整器調節套筒進行理論分析與計算，主要對汽封壓力調整器進靜態特性計算及動態特性計算，并按計算結果設計加工調節套筒一套并進行試驗驗證。

2）逐漸減少噴油嘴孔徑，加工噴油嘴孔徑分別為φ3.5、φ2.7、φ2.5、φ2.0并進行試驗驗證。

3）對汽封調節器波紋管下的調節墊片進行調整試驗，以確保汽封壓力調節器上調節螺釘的安裝高度、彈簧片與噴油嘴以及頂針之間的最佳間隙。

2.3 機組汽封系統的漏氣計算分析研究

本節按常規方法對汽輪機前汽封、后汽封、調節閥閥桿、主汽門閥桿等處的漏氣量隨負荷的變化進行了計算，計算結果見圖4。可知，隨負荷逐漸增加，漏氣量與負荷基本為線性關系，在高參數超載工況時，漏氣量為170kg/h。因此，在高參數高負荷工況時，可利用這部分漏氣量作為汽封系統壓力，提高機組經濟性。

圖4 蒸汽流量與負荷變化情況

2.4 汽封壓力波動靜態特性計算

圖5為汽封壓力調整器的進汽與排汽窗口型線。汽封壓力波動的靜態特性計算主要是計算閥桿行程與窗口的通流面積之間的變化關系、閥桿行程與蒸汽流量的變化關系。

圖5 蒸汽壓力調整器進汽與排汽窗口

根據型線與相對裝配位置，可得汽封調壓器調節窗口的總通流面積，其中正數為排汽，負數為補汽。根據計算，可得到汽封壓力調整器在不同負荷下的靜態行程及行程與蒸汽量的變化曲線，如圖6、7所示。

圖6 蒸汽壓力調整器靜態特性曲線

圖7 蒸汽壓力調整器靜態特性曲線

2.5 汽封壓力波動動態特性計算

對額定工況下汽封壓力調整器的動態特性曲線進行了計算，其中圖8為壓力變化曲線，圖9為調壓器行程變化曲線。從圖中可看到，經過約1s的波動后，汽封系統壓力和調節閥桿行程均趨于穩定，顯示汽封壓力調節器良好的工作特性。

圖8 汽封壓力調整器動態特性曲線

圖9 汽封壓力調整器動態特性曲線

根據計算結果，當汽封壓力發生波動時，調壓器可在短時間內恢復正常壓力狀態，可滿足使用要求。但應當指出，排汽窗口與補汽窗口的位置非常重要，需要在加工以及裝配時嚴格按照圖紙要求控制尺寸。

3 汽封壓力調整器試驗研究

由于單獨的調節套筒及噴油嘴無法進行試驗，因而必須結合機組運轉經試驗，在實船使用條件下，主蒸汽壓力、溫度、抽氣器進口壓力、溫度、負載、冷凝管進口水溫、電動凝水泵出口壓力等存在較大的波動。因而汽封壓力調整器一直處于動態變化過程中，因此只有通過配機試驗，才能有效檢驗汽封壓力調整器在實際運行過程中的使用狀況。圖10為汽封壓力調整器配機試驗圖。試驗按高參數工工況和低參數工況進行。

圖10 汽封壓力調整器配機試驗圖

3.1 改進后高低參數下汽封壓力波動

結合汽輪發電機組恢復性試驗，對汽封壓力調整器進行了配機試驗，機組負載分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，記錄蒸汽壓力、溫度、排汽壓力等值。圖11為試驗汽封系統壓力波動圖，試驗結果顯示，在工況任意變動時，汽封系統壓力波動值為0.0MPa～0.02MPa內，滿足技術要求規定值。

圖11 低參數工況汽封系統壓力波動圖

通過與圖3進行對比后可知，當噴油嘴的通徑由φ3更改為φ2.5以后，汽封系統壓力波動大幅減少，在高低蒸汽參數各個工況點汽封壓力維持在0.002MPa～0.008MPa，滿足技術要求規定值。

圖12為試驗汽封抽汽系統壓力波動圖，可看到，汽封抽汽系統壓力維持在-0.008MPa～0MPa，滿足技術要求的規定值。

通過試驗證明，通過改變噴油嘴通徑，合理的調整噴嘴與彈簧板、頂針與彈簧板之間的間隙可調整汽封系統壓力及汽封抽汽系統壓力在技術要求規定值內，能保證機組安全穩定運行。

圖12 低參數工況汽封系統壓力波動圖

3.2 循環圖譜試驗工況汽封壓力波動

機組循環試驗過程中，因信息量較大，本文采用第一循環98h內的所有數據作為樣本，共202個工況點，并對此數據進行了分析，循環試驗圖譜按高低參數進行，共24.5h，其中低參數運行時間為13.5h,高參數運行時間為11h。整個試驗共98h，連續進行4個循環，圖13為一個循環內的功率變化曲線。

圖13 機組功率隨時間變化曲線

圖14為98h循環試驗內汽封系統壓力波動圖。可知，隨著功率及蒸汽參數的變化，汽封系統壓力隨之變化，總體而言，隨著功率增加，汽封系統壓力逐漸增加，功率減少，汽封壓力隨之減少。整個試驗過程中，汽封系統壓力維持在0MPa～0.014MPa，未出現劇烈的波動現象。

圖15為98h循環試驗過程中汽封抽汽壓力的波動圖。在整個試驗過程中，汽封抽汽系統壓力維持在-0.012MPa～-0.006MPa。

圖14 汽封系統壓力波動曲線

圖15 汽封抽汽系統壓力波動曲線

通過連續運行試驗，表明改進后的汽封壓力調節器能保持汽封系統壓力與汽封抽汽系統壓力滿足技術條件的規定，且汽封系統壓力波動大幅減少。

4 小結

通過對科研樣機汽封壓力調整器壓力波動及汽封壓力超過技術規定值的原因進行分析，提出了汽封壓力調整器進一步的優化改進方案。

通過配機試驗，表明通過調整汽封壓力調整器內噴油嘴的孔徑至φ2.5mm，并將噴油嘴與彈簧板及間隙、彈簧板與頂針的間隙調整合適，可保證汽封系統壓力及汽封抽汽系統壓力滿足技術要求規定值，保證機組的安全穩定運行。

[1]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊[M].北京: 機械工業出版社,2004.

[2]紀昌宏.汽輪機運行及事故處理[M].北京: 化學工業出版社,2011.

[3]蔡頤年.蒸汽輪機[M].西安: 西安交通大學出版社,2006.

Improved Design and Testing Research on Turbine Seal Pressure Regulator

ZHANG Hao-yu,PENG Shan,ZHANG Shuo
(Navy Representation Office at ShanghaiNO.704 Research Institute,Shanghai 200031,China)

By theoretical calculations and analysis,two main causes which may lead to pressure fluctuation in a steam turbine seal system are identified,which are the improper size of oil injectionNOzzle ,the mismatch of steam inlet and outlet ports in the adjusting cylinder of a seal gas regulator .A series of testing with redesigned adjusting cylinder and different-sized oil injectionNOzzles are conducted,which can prove that the oil injection attributes to the pressure fluctuation,when the diameter of the oil injection is 2.5mm,the seal pressure and the seal elicit pressure are in the allowed value and the seal pressure fluctuation reduces greatly.

seal system; fluctuation; oil injectionNOzzles

TP132.41

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.002

張皓宇（1986-），男，助理工程師。研究方向：艦船機電設備。