汽輪機低壓汽封異常磨損分析及優化

蘇鑫海， 譚俊， 謝峰， 劉緒芳， 趙春芳

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

汽輪機有靜子和轉子兩大部分。 在汽輪機運行時， 轉子高速旋轉， 靜子固定， 因此轉子和靜子之間必須保持一定間隙， 不相互摩擦。

引起汽封徑向碰摩的因素有很多， 汽缸等部件異常變形、 軸封溫度不匹配、 轉子彎曲、 安裝間隙過小等都會影響動靜碰磨， 使汽封存在磨損情況[1]。

本文主要研究探討了目前深度調峰汽輪機組在部分運行參數偏離設計值過高、 運行工況頻繁變化情況下引起汽缸等部件變形導致汽封異常磨損的問題。

1 隔板汽封結構特點及密封原理

1.1 隔板汽封結構特點

汽輪機蒸汽流過汽輪機各級工作時， 壓力、溫度逐級下降， 在隔板兩側存在壓差。 在這個壓差的作用下， 會有一部分蒸汽通過動靜之間的間隙流走不做功。 隔板汽封的作用就是減少這種蒸汽泄漏， 提高汽輪機運行經濟性[2]。 大中型汽輪機應用最廣泛的為非接觸式曲徑汽封。 曲徑汽封由多個順序排列的汽封齒與轉子形成環形間隙和汽室所組成[3]。

圖1 所示為典型汽封結構。 汽封圈主要包含汽封彈簧、 汽封體、 汽封齒等部件。

圖1 隔板汽封結構圖

1.2 隔板汽封密封原理

當蒸汽依次流過汽封環形間隙和汽室時， 蒸汽動能在汽封室逐漸轉化為壓力能， 壓力不斷降低， 直至汽封后壓力。 汽封齒數越多， 間隙越小，漏出的蒸汽量也越小[4]。

在汽輪機啟停過程中， 由于過臨界轉速或其他異常情況的影響， 汽封齒有與轉子產生摩擦的可能。

2 隔板汽封異常磨損問題及原因分析

2.1 問題描述

根據某電廠反饋的汽輪機低壓缸檢修情況，發現低壓隔板汽封異常磨損， 磨損量遠大于設計間隙。 隔板汽封汽封齒和轉子磨損情況見圖2。

圖2 隔板汽封磨損實物圖

現場檢查發現隔板汽封左、 右側和頂部的汽封齒還保留著原設計形狀， 有輕微磨損現象。 但底部汽封齒幾乎被磨平， 大量鐵屑集中在汽封室內， 轉子大軸上也有相應磨痕。 根據現場測量數據， 發現底部汽封齒高度比其余方向要低。 該低壓缸采用雙分流結構， 隔板汽封磨損量由汽缸中部向兩端逐漸減小。 該汽封齒設計為正圓， 并沒有偏心設計， 可以判斷出低壓隔板汽封底部汽封齒確實是異常磨損， 磨損量超過設計值， 導致汽封局部失效， 使蒸汽泄漏量增加， 影響機組運行經濟性。

2.2 原因分析

一般機組的低壓缸為內外缸鋼板焊接結構。兩端軸承的軸承箱為落地式， 軸端汽封固定在軸承箱上， 低壓內缸通過貓爪搭在低壓外缸上， 低壓外缸落在汽輪機基礎上。 這種低壓缸設計結構，使得低壓轉子中心標高穩定， 不會因低壓缸真空的變化而變化。 但靜子部件在進、 排汽溫度發生頻繁快速變化容易產生變形， 以貓爪為起始基準的上抬或翹曲。 主要出現在為適應目前電力發展需要的調峰機組。 針對后續越來越多的機組參與快速調峰運行，故有必要針對此類變形進行分析[4]。

這類機組正常運行期間軸振水平良好， 但機組啟停頻繁且變工況運行多， 再加上如低壓缸運行參數較高的情況下，容易進一步導致低壓內缸等靜子部件的變形上抬，使低壓隔板汽封出現磨損。

3 低壓內缸有限元模擬分析

3.1 低壓內缸結構

該機組低壓缸內缸采用鋼板焊接結構， 內缸本體為圓筒設計。 在汽缸下半設置有貓爪支撐結構， 搭在外缸上， 支持整個內缸和所有隔板的重量， 如圖 3 所示。

圖3 低壓內缸支撐示意圖

3.2 低壓內缸有限元模擬分析

根據調峰機組頻繁啟停以及運行參數偏高對低壓內缸的影響， 模擬邊界條件對內缸進行有限元計算分析， 結果顯示汽缸中分面處的天地方向有變形情況。 考慮機組安裝、 運行因素， 該計算結果與機組實際運行時汽封磨損量比較吻合。 由于布置需要， 汽缸上下半支撐結構不完全對稱，結構剛性存在差異， 機組實際運行時汽缸存在上下半變形差異， 在頻繁啟停工況下變形累積加劇，同時在連通管等外部推力作用下導致低壓內缸的翹曲變形。 汽缸變形上抬后， 使隔板汽封與轉子底部間隙變小， 甚至間隙消失， 最終使汽封齒過度磨損。

4 低壓內缸結構優化及效果分析

根據上述分析結果， 分別采取加強上半汽缸支撐結構和減弱汽缸下半支撐結構的方案進行有限元模擬分析[5]。

上半汽缸支撐結構加強方案見圖4。

圖4 低壓缸上半支撐結構加強方案示意圖

通過上半支撐結構加強， 加強方案是將上半支撐結構設計成與下半一樣， 汽缸中分面天地方向變形情況得到改善。

下半汽缸支撐結構減小剛性方案是在保證下半汽缸支撐結構有足夠強度基礎上進行局部切除處理， 見圖 5～6。

圖5 低壓缸下半支撐結構剛性減小方案一

圖6 低壓缸下半支撐結構剛性減小方案二

分別對圖5～6 低壓缸下半支撐結構剛性減小方案進行有限元模擬分析。 計算結果顯示， 若下半汽缸支撐結構剛性越弱， 汽缸中分面上抬變形量越小。

對比各低壓內缸結構優化方案有限元模擬分析結果， 通過加強上半剛度或減小下半缸剛度均能有效減小汽缸中分面上抬的變形值。 上下半汽缸剛度越趨于一致， 變形量越小。

5 結論

由上述分析結果可知： 針對參與快速調峰頻繁變工況運行的汽輪機， 低壓內缸上下半結構剛性不一致更容易出現汽缸變形翹曲的情況。 汽缸變形導致隔板汽封與轉子間隙變小， 甚至間隙消失， 最終使汽封齒過度磨損。

對頻繁變工況啟停的調峰汽輪機， 汽缸結構設計時應盡量做到上下半剛性的合理匹配， 合理選擇汽封型式和間隙， 使汽缸動靜變形協調， 減小對汽封間隙的影響， 提高汽封密封效果， 保證機組安全性和經濟性[6]。