核電汽輪機汽封徑向間隙測量方法探討

何濱， 宋大全

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

核能是當前應用最為廣泛的新型能源之一,具有清潔無污染、 能量密度高、 綜合成本低、 無供電間隙性等優點。 我國于2007 年正式啟動《國家核電發展專題規劃（2005-2020 年）》, 首次明確核電裝機容量及核電年發電量中長期目標。 同時, 核能發展具有高風險性, 若不能有效控制產品質量, 一旦發生事故將帶來毀滅性災難。 本文就如何準確測量核電汽輪機汽封徑向間隙問題展開論述, 從而實現汽封間隙的準確調整, 提高機組運行的安全性和經濟性。

1 汽輪機汽封簡介

汽輪機是一種高速旋轉的蒸汽動力裝置, 高溫高壓蒸汽從固定噴嘴（如隔板）噴出變成加速氣流后噴射到轉子葉片上, 使轉子旋轉對外做功。因此, 汽輪機存在動靜部分, 在動靜之間設置汽封裝置, 既能保證動靜之間有適當間隙, 減少蒸汽泄漏或空氣進入； 又能在機組故障時減少動靜碰磨面積, 提高機組運行的安全性。

1.1 核電汽輪機汽封結構特點

核電汽輪機汽封裝置按汽封是否可拆卸, 可分為固定汽封和可拆卸汽封。

（1）固定汽封, 是指汽封齒直接鑲嵌在隔板或汽封體上, 用手或簡易工具不可按壓, 如圖1（a）所示, 隔板葉頂汽封便是采用的這種結構。

（2）可拆卸汽封, 是指汽封齒直接加工或鑲嵌在汽封塊上, 汽封塊安裝在隔板或汽封體對應安裝槽內, 背部設計有彈簧, 用手按壓可退讓, 可更換汽封塊,如圖1（b）所示, 隔板板體汽封和汽封體汽封便是采用的這種結構。

圖1 核電汽封裝置

2 火電汽輪機汽封徑間隙的測量方法

根據火電汽輪機的安裝經驗, 汽封徑向間隙的測量通常可采用塞尺法、貼膠布法和壓鉛絲法[1]。下面就這3 種方法的測量原理, 分析出對應的優缺點。

2.1 塞尺法

測量時, 采用斜尺或塞尺和塞塊配合, 直接對可見汽封徑向間隙進行測量。 優點： 可以直接測量, 獲取數據方便準確； 缺點： 只能測量可見、可摸的間隙, 主要用于左、 右汽封徑向間隙測量。

2.2 貼膠布法

測量時, 在汽封齒上沿軸向貼上白膠布, 每層膠布厚度約為0.25 mm, 每層膠布間應錯口2 mm 左右做成階梯型, 層數視間隙標準而定。 在轉子對應部位涂紅丹粉, 吊入轉子并扣合全實缸,盤動3～5 圈后吊出； 檢察白膠布的磨痕, 根據磨痕的深淺估計汽封徑向間隙。 優點： 可檢查整圈汽封徑向間隙的最小值。 缺點： 測量數據靠目視和經驗得出, 不準確； 間隙過大時膠布層數較多,膠布厚度不準, 且盤動轉子過程中容易掉落。

2.3 壓鉛絲法

測量時, 將大小合適的鉛絲固定到汽封齒對應位置上, 吊放轉子到工作位置, 這樣鉛絲就被壓出一道道溝槽, 吊出轉子用專用測厚百分表測量溝槽厚度, 即為對應位置汽封徑向間隙。 過程中須保證被測位置汽封齒不可退讓（可拆卸式汽封塊背部須用硬木楔契緊）。 優點： 鉛絲壓好后,數據可直接用厚度百分表測出, 準確可靠。 缺點：須考慮汽缸安裝過程中撓度的變化引起測量誤差。

3 核電汽輪機汽封徑間隙采用火電汽輪機的測量方法可行性分析

3.1 核電汽輪機與火電汽輪機的差異性分析

核電汽輪機主要由高中壓缸、 高壓9 級隔板、中壓4 級隔板高壓后汽封體、 中壓后汽封體、 高中間汽封體組成。 現有百萬等級火電汽輪機均采用高中壓分缸設計。 為了使二者具有更多相似性,這里選用某公司設計生產的660 MW 火電機型進行對比。 2 種機型均采用高中壓合缸, 上貓爪支撐, 中間進汽兩端排汽的設計結構, 主要區別如表1～2 所示。

（1）轉子重量約是火電機組的3 倍、 軸距和最大外形尺寸均大于火電機組。

（2）汽缸的重量約是火電機組的2.5 倍、 長度和外形尺寸均大于火電機組。

（3）隔板葉頂汽封徑向間隙約是火電機組的3倍。

表1 火電與核電汽輪機高中壓模塊零件參數

3.2 測量左、 右汽封徑向間隙

將隔板下半、 汽封體下半就位后, 放入轉子,采用塞尺法進行測量。 注： 塞尺塞入深度應加以控制, 一般控制在10～12 mm。 通過實踐, 相關尺寸能夠快速準確測出。 因此, 核電汽輪機測量左、右汽封徑向間隙可采用塞尺法。

3.3 測量上、 下汽封徑向間隙

3.3.1 貼膠布法

從2 表看出, 火電機組的汽封最大徑向間隙為1.22 mm, 采用0.25 mm 厚的膠帶, 5 層即可滿足測量要求, 核電汽輪機最大汽封徑向間隙為4.1 mm, 貼膠帶須要17 層。 實施后膠帶厚度誤差大,盤動轉子時更容易掉落, 引起返工； 核電轉子重約105 t, 不投頂軸油時無法盤動； 投入頂軸油后, 轉子約有0.15 mm 的上抬和右偏, 影響間隙測量。 因此, 貼膠布法不能準確測量核電汽輪機上下汽封徑向間隙。

3.3.2 壓鉛絲法

核電汽輪機部套重量大, 尺寸大, 安裝過程中發現全實缸把緊高中壓缸中分面1/3 的螺栓, 保證中分面0.03 mm 塞尺不入后, 汽缸的最大撓度比半實缸（只在汽缸下半放入下半隔板、 下半汽封體的情況） 增加約0.5 mm。 隔板、 汽封體整體是通過下半兩側懸掛銷支撐在汽缸下半的, 汽缸下半的撓度變化, 立即就會引起隔板、 汽封體中心的變化, 從而引起汽封徑向間隙變化, 最終使下部鉛絲尺寸比真實汽封徑向間隙小。 因此, 壓鉛絲法也不適合直接準確測量核電汽輪機上下汽封徑向間隙。

4 確定核電汽輪機上下汽封間隙測量方法

汽輪機上下汽封徑向間隙測量的難點在于看不見、 摸不著, 在長期實踐過程中總結出了貼膠布和壓鉛絲的測量方法。 但并不能直接運用到核電汽輪機上下徑向間隙的測量上, 因此, 優化現有測量方法很有必要。

4.1 優化現有測量方法可行性分析

貼膠布法不可行的主要原因： 汽封間隙過大,貼膠帶層數過多, 總厚度誤差大, 轉子盤動過程中容易掉落； 核電轉子重, 轉子盤動時必須投入頂軸油, 轉子頂起高度對徑向間隙測量的準確性有影響。 要想準確測出汽封徑向間隙, 就必須解決過多膠布貼在一起厚度準確性、 過厚易脫落、頂軸油須提前投入以及頂軸油投入對汽封徑向間隙帶來的影響等問題。 這些問題要想解決都比較困難, 因此暫不考慮采用此方法。

壓鉛絲法不可行的主要原因在于汽缸撓度變化太大, 引起鉛絲的尺寸與實際汽封徑向間隙不符。 只要解決了汽缸撓度變化帶來的影響, 就能準確測出上下汽封徑向間隙。 因此, 準備在壓鉛絲法的基礎上進行優化。

4.2 轉子、 汽缸撓度分析

轉子安裝在軸承箱中的支持軸承上, 整個過程中重量和支撐位置均未發現變化, 因此, 轉子的撓度值X 不變。

汽缸通過貓爪支撐在軸承箱上, 安裝過程中汽缸的重量隨著隔板、 汽封體、 汽缸上半裝入逐步增加[2]。 在放入隔板下半、 汽封體下半后, 即半實缸狀態, 汽缸的最大撓度為Y； 隨著隔板上半、汽封體上半裝入, 汽缸撓度會逐步增加, 最終在高中壓外缸上半裝入后重量最大, 撓度也達到最大, 此時最大撓度值為Y+δY1； 隨后把緊高中壓缸中分面1/3 連接螺栓, 保證中分面間隙0.03 mm塞尺不入, 汽缸本身的鋼度增加, 汽缸的撓度有一定減小, 最終全實缸狀態下, 汽缸最大值撓度為Y+δY。 詳見圖3。 經過實際測量, 高中壓缸半實缸狀態與全實缸狀態的最大撓度差為： 火電660 MW 汽輪機δY 約為0.3 mm[2]； 核電汽輪機δY 約為0.5 mm。

圖3 轉子、 汽缸撓度變化示意圖

4.3 消除汽缸撓度變化對汽封徑向間隙的影響

根據汽缸安裝過程的撓度變化可知, 如果直接壓鉛絲, 測量出的上下汽封徑向間隙均會小于實際間隙。 為消除影響, 測量汽封徑向間隙時,上部可以預抬汽缸標高, 下部可預抬轉子標高或預降汽缸標高。 因此, 需要兩次扣缸才能完成上下部汽封徑向間隙的測量。

安裝時, 在汽缸前后端部各焊3 個小圓柱,做為轉子與汽缸的中心基準（以下簡稱汽缸基準）。 半實缸時, 測量并記錄汽缸基準, 拆出下部可拆汽封塊背后的硬木塞, 通過貓爪墊片將高中壓外缸中心上抬一定尺寸Z。 通過汽封間隙和汽缸下沉量的特點, 現場將Z 定為1.2 mm, 能夠保證安裝過程中上部鉛絲被壓后的尺寸均大于對應位置實際間隙。 全實缸時通過調整貓爪墊片, 恢復汽缸基準后打開汽缸, 測得被壓后鉛絲的厚度即為上部汽封徑向間隙。

安裝時, 每增加一次扣缸就會增加約兩天工作量, 同時也會增加零件損傷風險。 因此, 下部汽封徑向間隙采用現場計算的方法得出。 為使數據準確可靠, 安裝時采用壓鉛絲法測出總的汽封間隙。 即半實缸時, 在下部汽封齒對應位置放置鉛絲, 吊入轉子, 再吊入上半汽封體和上半隔板,把緊中分面螺栓消除間隙后再拆開, 測量并記錄上部汽封徑向間隙, 為盡量消除汽缸撓度對間隙的影響, 隔板或汽封體只能單級吊入汽缸, 測量完成吊出后, 才再吊入下一級； 然后吊出轉子,測量并記錄下部汽封徑向間隙。 將對應位置上下汽封徑向間隙求和后減去采用抬缸法測得的上部汽封徑向間隙的值就是準確的下部汽封間隙。

5 核電汽輪機汽封徑向間隙測量方法

（1）隔板汽封體精找中工作已完成, 檢查汽封塊周向間隙合格, 在上下須測間隙位置放置合適的鉛絲, 可拆卸汽封的背部用硬木楔契緊；

（2）高中壓外缸下半就位并放入隔板下半、 汽封體下半和高中壓轉子, 檢查汽缸基準合格后,測量并記錄左右汽封間隙T左、 T右；

（3）逐級放入隔板或汽封體上半,把緊中分面,消除間隙后吊出, 測量并記上部壓鉛絲測量得的汽封間隙K上；

（4）吊出轉子, 測量并記錄各級隔板或汽封體下部汽封間隙K下, 同時拆除下半隔板、 下半汽封體汽封塊背部的硬木楔子；

（5）通過貓爪工藝墊塊將高中壓缸下半向上預抬Z （1.2 mm）, 裝入隔板下半、 汽封體下半和高中壓轉子；

（6）在隔板上半、 汽封體上半的汽封齒上放置合適的鉛絲, 把緊水平中分面螺栓消除間隙, 再安裝高中壓缸上半, 把緊中分面1/3 螺栓并檢查汽缸水平中分面0.03 mm 的塞尺不入；

（7）轉換上貓爪, 通過調整汽缸工藝墊塊, 恢復汽缸基準；

（8）轉換下貓爪, 復裝第（5） 步貓爪工藝墊塊將汽缸上抬Z （1.2 mm）, 防止揭缸過程中鉛絲再次壓小；

（9）揭開高中壓缸上半、 隔板上半、 汽封體上半, 測量并記錄上部汽封間隙T上；

（10）計算下部汽封間隙, T下=K上+K下-T上。

6 結束語

汽封徑向間隙調整是汽輪機安裝及大修過程中一項細致、 重要、 不可或缺的工作。 通過合理的測量方法, 解決了核電半轉速百萬等級汽輪機汽封徑向間隙不能準確測量的問題。 為后續汽封徑向間隙準確調整提供了條件, 對汽輪機安全、經濟運行至關重要。