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1、汽轮机的汽封介绍哈尔滨汽轮机厂在汽轮机装置中，蒸汽流过汽轮机各级时，压力和温度逐级下降，在隔板两侧存在压力差，隔板内缘与转子之间必然会有蒸汽泄露；当级内有反动度时，动叶前后也存在压力差，其动叶顶部与汽缸内壁或隔板套内壁之间也会有蒸汽泄露。这一小部分从级间各处间隙中泄露的蒸汽不但不做功，而且干扰主蒸汽的流动，产生漏气损失，从而降低级的效率，使汽轮机的效率降低。为了减少动静间隙的漏汽损失，汽轮机动静部件之间一般设置有汽封装置，汽轮机汽封的密封性能将直接影响到汽轮机汽封的蒸汽泄漏量。汽封装置密封性能的优劣，对汽轮机性能有相当大的影响，汽封结构的设计很重要，合适的汽封结构不但可以减少漏汽损失，还可以避
2、免机组运行过程中发生转子低频振动，提高轴系稳定性。按汽封安装位置汽轮机的汽封分为轴端汽封，隔板汽封和动叶顶汽封，分别用来防止汽轮机的轴端，隔板和动叶顶部蒸汽的泄漏，轴端汽封作用是防止外界空气进入汽轮机以及汽轮机内部蒸汽漏到厂房中；隔板汽封和动叶顶部汽封作用是减少级间漏汽损失与汽轮机内的蒸汽混合，减小蒸汽泄漏量。汽封的结构型式有多种多样，目前比较常用的结构主要有迷宫式汽封、蜂窝汽封、刷子汽封和可调整汽封。1. 迷宫式汽封迷宫式汽封由带汽封齿的汽封环与转动部件之间构成很小的径向间隙，形成许多环状的节流圈，每个节流圈均紧接一个涡流室。当蒸汽流经节流圈时，其压力降低P，速度增高，进入涡流室后产生很强的
3、涡流，将蒸汽的动能转化为热量，在绝热条件下被蒸汽吸收，蒸汽的比容增大，而下一个节流圈入口蒸汽的速度几乎为零。这样每经过一个汽封齿受到一次节流，压力减低P.在动静间隙两侧的压差一定时，汽封片数目越多，压力降P越小；另外由于采用的汽封齿很薄，万一产生轻微的摩擦，不至于影响汽轮机安全运行，因此汽封间隙可以做得很小，因而漏汽面积较小。所以迷宫式汽封可以使漏汽量减少，提高级组的效率。为了间隙漏汽的动能在涡流室中最大限度地减少，通常采用高低齿的汽封结构，与其对应的转子上也加工有环形的凹槽和凸台，他们与汽封环上的高低齿构成汽封的间隙。汽封圈一般采用弹性结构，此种结构能够保持动静之间较小的径向间隙，使蒸汽泄漏
4、量最小。迷宫式汽封圈包括成组的汽封圈弧段和弹簧。汽封圈内加工有安装弹簧用的槽，安装时根据汽封圈弧段的位置保持弹簧位置。汽封圈的安装使蒸汽压力将汽封圈推向密封面，形成轴向密封。汽封圈安装槽内留有足够的退让间隙，允许汽封圈在槽内移动。弹簧片径向压紧汽封圈，使运行时转子与汽封圈之间的径向间隙很小。当机组在非正常工况下，汽封与转子发生接触，弹性汽封圈可以被压缩，并在正常工况时弹回。这样可以防止汽封圈与转子发生严重摩擦而损坏。如果汽封与转子之间的间隙变得过大，可以取出更换。2. 蜂窝式汽封与传统的梳齿汽封相比，蜂窝汽封的最大特点是如果与转子发生擦碰，不会损坏转子和引起转子的过度弯曲，密封性能仍可保持，另
5、外可以抑制密封流体的激振，改善转子的稳定性。国内外有关研究机构已经研究了各种蜂窝芯格尺寸和蜂窝孔深对密封性能的影响。蜂窝汽封的芯格尺寸对泄漏量的影响不呈线性规律，芯格尺寸为1.6mm的蜂窝汽封的封严特性最好，其次为小芯格尺寸（0.8mm）的蜂窝汽封，大芯格尺寸（3.2 mm）蜂窝汽封的封严特性最差。而与梳齿汽封相比，芯格尺寸为0.51.6mm 蜂窝汽封的泄漏量小于梳齿汽封，但是更大或更小芯格尺寸的蜂窝汽封的泄漏量大于梳齿汽封。在汽封径向间隙相同的情况下，当汽封的径向间隙大于0.200.40mm，蜂窝汽封的封严特性比梳齿汽封好；当汽封的径向间隙小于0.06mm 时，梳齿汽封的泄漏量小于蜂窝汽封。
6、蜂窝孔深对密封性能几乎没有影响。采用蜂窝汽封后，汽封间隙可以很小，达到减小漏气量和提高效率的目的，同时由于蜂窝汽封很软，即使与转子发生擦碰，一般不会发热和伤及转子而引发安全问题。目前，国内外许多燃气轮机、压缩机、高压涡轮泵和汽轮机都广泛采用蜂窝汽封。3. 刷式汽封与迷宫式汽封相比，近年出现的刷式汽封可有效地减少蒸汽的泄漏量，可使汽封初始的泄漏量减少50% 以上。刷式汽封有如下优点：提高机组的热效率，大幅减小汽轮机径向支持轴承间的轴向长度；汽封的轴向长度和重量远小于拉别令汽封，结构紧凑、泄漏量小（少于拉别令汽封泄漏量的20%）、可靠性高、寿命长、改造变动小和维护费用低。目前刷式汽封单位面积的鬃毛
7、数每平方毫米可以达到100 根鬃毛，刷式汽封采用钴基或铬基合金的鬃毛丝与经过固体润滑脂处理过的织构碳化铬表面对磨，刷排轴向宽度约为0.8mm。刷式汽封壳体可做成尺寸为轴向45mm 和径向12mm。刷式汽封已经成功地应用到最大压力差0.5MPa。更高的压力可能导致鬃毛颤振，进而导致磨损和泄漏增加。试验表明一个精心设计的刷式汽封的气体泄漏量不大于传统拉别令汽封泄漏量的20%。刷式汽封主要有两种专利密封结构，如图1 所示，一种将鬃毛组件与侧板焊接在一起（见图1（a），另一种将鬃毛包裹在一根金属丝上（见图1（b），然后夹紧固定在前后板之间的一个环形管内。刷式汽封的鬃毛径向向内伸展，将其末端加工以适合转
8、子表面，为了适应转子的径向运动，鬃毛沿轴旋转方向布置成45o，当受热时，鬃毛与转子表面轻微软接触，其弹性使其追踪转子的径向偏移，在下游侧，后板限制鬃毛因压力导致的挠曲；当冷态时，鬃毛的尖端刚离开转子并且其间隙恰好适合在运行中通过热膨胀和/或压力闭合。转子与后板之间的间隙是确定刷式汽封承压能力的一个关键参数，此间隙需要尽量减小，但又以在任何运行条件下避免接触转子为准。目前，试验工作和机组的实际运行已经证明刷式汽封的鬃毛是牢固的，组成刷子的钢丝在交变温度下不会脱毛。刷式汽封的使用实践表明：汽封间隙为0.51mm1.27mm时能够保证汽轮机的安全运行。刷式汽封最早使用在航空发动机上，在正在逐步地推广
9、和应用于汽轮机。此外，刷式汽封具有方向性，采用刷式汽封的汽轮机只能单方向旋转，因此具有正车和倒车功能的汽轮机不宜采用刷式汽封。4. 可调式汽封可调式汽封的优良特性在于：随着汽轮机的起动和运行状态的变化，可调式汽封将按照预先设定值来调整汽封和转子之间的径向间隙。采用可调式汽封可避免径向汽封与汽轮机转子之间的擦碰，提高汽轮机组运行的安全性和可靠性，以及机组的热效率。对于不可调汽封，在正常安装后，如果汽封与转子间的径向间隙过大，就会引起蒸汽的泄漏增加，导致汽轮机机组热效率的降低，甚至引起整个汽封系统的失调，导致停机。如果汽封与转子之间的径向间隙设置得太小，在通过临界转速时，转子可能发生较大的振动，或
10、者汽轮机起动过快，汽缸、隔板和隔板套经受较大的温差，从转子轴向的横断面上看，汽缸内壁和外壁的温差导致整个汽缸呈鸭蛋形，汽缸的中分面处张开V 形口，在水平方向上，汽封齿与转子间的径向间隙达到最大，而在竖直方向上的汽封齿与转子间的间隙达到最小，此时转子的振动就会导致汽封齿与转子发生擦碰，增大汽封齿与转子之间的间隙。当擦碰严重时，会使汽封齿变形、变脆甚至破裂，同时隔板的径向轴封与转子所产生的擦碰会使转子局部受热，产生热变形导致转子弯曲，导致汽封齿的进一步磨损，加大径向汽封与转子之间的间隙。采用可调式汽封后，在汽轮机起动时，较大的汽封间隙有利于汽轮机动静部件的预热，可缩短起动过程；还可以在汽轮机转子通
11、过临界转速时，防止动静部件的擦碰。在汽轮机正常运行时，减小并保持合适的汽封间隙，可减少汽轮机的蒸汽泄漏量，提高机组的热效率。目前比较流行的可调整汽封时布兰登式可调式汽封，它是利用汽封前后的压差来实现汽封的可调。在汽轮机启动过程中，随着汽轮机负荷的增加，汽轮机的进汽量也随之增加，汽轮机各压力级的前后压差也会逐渐增加。布兰登式可调汽封正是根据这种汽轮机的各级压差随负荷的变化，将汽轮机各级的隔板径向汽封和叶顶汽封设计成随汽封前后压差而变化，使汽封与转动部件间的间隙随负荷而变化。当汽轮机达到一定负荷时，汽封间隙达到最小，以后再增加负荷汽封间隙将保持不变。布兰登式可调汽封具有结构简单，改造费用低和适于老
12、机组改造的特点。布兰登式可调汽封现有两种结构：6块弧段和4块弧段型式，如图2和图3所示，分别应用于高压和低压汽轮机。图2 6 块弧段汽封环结构图3 4 块弧段汽封环结构可调汽封的闭合压差主要靠改变弹簧预紧力、刚度和零件材料间的摩擦系数来调整，可调汽封的结构尺寸也有影响，但是这种影响有限。可调汽封的设计应尽量减小汽封环体高度，加大汽封的宽度，这样会减小可调汽封的闭合压差。汽轮机轴端汽封最外面的3段汽封环不宜采用布兰登式可调汽封。因为这3段汽封环若改成可调式汽封，特别是最外端的汽封环，那么，污物和油将被吸入密封系统。如果轴端第二段汽封环改成可调汽封，将允许密封蒸汽被吸入汽封抽汽系统。如果轴端第三段
13、汽封采用可调式汽封，则很难保证蒸汽密封联箱（均压箱）的压力。然而，更主要的原因是这些汽封环靠近径向支持轴承，不易发生擦碰。从布兰登式可调汽封运行的经验来看，目前布兰登式可调汽封确实可以不同程度地提高机组的热效率，最高可达1%2%，但是同时也存在两个方面的问题：一是布兰登式可调汽封经过长时间的运行后，常常发生锈死，导致汽封不可调；二是布兰登式可调汽封经过长时间的运行后其弹簧常常在蒸汽高温的作用下发生塑性变形，导致在汽轮机负荷减小后布兰登式可调汽封不能够自动进入完全开启状态。综上所述，各种汽轮机密封技术都在不断发展，出现了用于工作环境更为严酷的耐高温、高压的汽封；抑制汽流激振的蜂窝式汽封；允许汽轮
14、机动静部分相接触的刷式汽封；智能型的可调式汽封等。各类汽轮机密封技术的应用，不断提高汽轮机运行的安全性和可靠性，提高汽轮机的热效率。同时汽轮机汽封可调后，避免了汽轮机转子与梳齿汽封之间的擦碰，使得汽轮机的汽封与汽轮机转子之间的径向间隙可以达到更小，但是梳齿式汽封从其密封性能来看毕竟不如刷式和蜂窝汽封，因此还有待研究其它各种型式汽封的可调性和密封性能，研究和开发新型可调汽封。同时，也应看到所有上述汽封型式都为接触式和非接触式不完全密封，既都要有少量的蒸汽泄漏，需配备有复杂的密封系统，包括汽封冷却器、抽气器、平衡箱和调压阀等等，来回收泄漏的部分蒸汽，减少化学补水量。开发和研究非接触式的完全密封技术，如磁流体密封等，才是从事汽轮机密封技术研究者的努力方向。
