蜂窝密封

1,陈鲜莉2007.6,蜂窝密封的应用,2,目录,一、蜂窝密封发展史二、蜂窝密封结构与原理三、与梳齿密封的对照四、梳齿改蜂窝密封的改造方案五、国内蜂窝密封的应用六、小结,3,蜂窝密封技术是航天工业针对高温及高压差工况下开发出的高级密封技术。美国航天飞机、U2及F16战斗机上均应用了蜂窝汽封。自1983年起到本世纪初，美、日、德等多个发达国家对应用于汽轮机蜂窝式密封已经有了不同程度的研究，申请了大量专利。1989年起，美国的ChildsD等人陆续发表了一系列蜂窝密封的刚度和阻尼数据，提出蜂窝密封可提高汽轮机的动力性能。近些年来我国从美国西屋公司进口的300MW、350MW、600MW及650MW核电机组上均采用此项新技术，效果甚佳。秦皇岛市爱迪电力技术集团在1999年申报了国家专利新型汽轮机组级间密封及轴封装置（即FW蜂窝式密封），于2002年步入工业性应用进程。我国最新型的战斗机及民用飞机发动机上也大都采用该技术，平均效率提高了10。,一、蜂窝密封发展史,4,图1蜂窝密封,二、蜂窝密封结构与原理,5,结构,所谓蜂窝式密封，即密封环的内表面是由正六面体形状的蜂窝孔规则排列而成的蜂窝带构成。蜂窝带是由厚度仅为0.05mm0.10mm的海斯特镍基耐高温合金薄板（HastelloyX）在特殊成型设备上制成的正六面体网格型材，再经特殊焊接设备焊接而成的。根据密封环体尺寸制作成的蜂窝带，在真空钎焊炉中通过真空钎焊技术被焊接在母体密封环上，即形成了蜂窝式密封。,6,其密封机理是这种蜂窝状结构能产生很强的涡流和屏障，从而形成很大的阻尼而达到阻止工质泄漏的密封效果。,试验结果表明，对于蜂窝深度为3.0mm、蜂窝芯格尺寸(蜂窝六边形的对边距离)分别为3.2mm、1.6mm和0.8mm三种蜂窝密封，在不同转速、压比下，芯格尺寸为1.6mm的蜂窝密封封严效果最好。蜂窝密封芯格尺寸的大小对其漏气量的影响并不呈线性规律，蜂窝对边距与蜂窝深度的比值为0.52左右时，密封的漏气量较小。另一方面，在相同的入口条件下，间隙越小，进入蜂窝腔的气流与水平面的夹角越大，且旋涡体积越大、中心位置越靠近底面。,原理,7,三、与梳齿密封的对照,在燃气轮机、汽轮机压缩机和涡轮泵等叶轮机械中，最常见通流系统的密封是梳齿密封。以电站汽轮机为例，为了减少汽轮机通流部位密封间隙的漏汽损失，以提高机组效率和安全可靠性，通常都装有轴端汽封、级间(隔板)汽封和叶顶汽封。它们贯常的技术模式为梳齿式结构，又可细分为迷宫式(图2)、斜齿式(图3)及镶嵌齿片式(图4)等。,8,图2、迷宫式密封结构梳齿式,9,图3、斜齿式气封,10,图4、镶嵌式片式叶顶汽封,11,梳齿式汽封的弊端,1）密封效果差。迷宫式汽封的密封原理是通过多级节流膨胀以消耗汽流能量产生阻尼效果，从而达到减少蒸汽沿轴向间隙泄漏之目的。由于齿间为环形腔室，环向流动大大减少了涡流降速效果，其阻汽效果差，泄露量较大。2）转子易产生汽流激振。当汽封间隙出现不均时（实际工作中很难避免），由于泄露量较大，产生激振的能量也大，对汽轮机高压转子产生的汽流激振一旦发生就很难解决，危及机组安全运行。3）密封齿容易磨损或倒伏。为提高密封效果，即使梳齿密封在安装时使用较小间隙，但在过临界转速等工况下，密封齿很容易被磨损或倒伏，密封间隙在短时间内迅速扩大，致使轴端泄漏严重。在汽轮机轴封中，还可能导致润滑油中进水。,12,蜂窝式密封的优越性,1）耐磨损、不伤轴、耐高压、密封效果好。蜂窝壁很薄，如果与转子碰磨，首先磨损的是蜂窝密封，不伤转子。蜂窝为正六边形网格结构，强度好，可以承受很高的压力，高压降下应用不增加密封的尺寸，且轴向、环向都能产生很强的涡流和屏障，大大提高了轴端封严能力。2）寿命长。蜂窝密封的结构能在最小的材料质量下保证密封具有最大的强度，不会被轻易磨损而增大密封间隙，也不会倒伏，可以长期保持安装时的较小的密封间隙，所以使用寿命长。试验表明，蜂窝式密封的耐磨寿命为铁素体梳齿式汽封的2.5倍。3）降低亚异步振动。蜂窝密封提供了足够的阻尼，特别是段间的蜂窝密封，在机组过临界转速等工况下，能有效消除转子的气流激振，确保压缩机的稳定运行。美国航天飞机主机高压液氧涡轮泵的经验已经证明，用蜂窝密封替换涡轮级间梳齿密封，可消除转子不稳定问题，降低亚异步振动水平。实验表明，静子为蜂窝密封而转子带有梳齿的密封结构减振效果最好。4）除湿。蜂窝密封安装在汽轮机低压缸的末级叶片的顶部密封上，不仅可以提高效率，蜂窝的网孔可以吸附水滴，从而有效除湿、保护动叶片免受水力冲蚀，延长叶片使用寿命。,13,1、轴端汽（气）封的改造方案1）转子不须改变，轴上原凸台式结构形状可保留不变。2）原汽封套(汽封体)及退让弹簧保持不变。3）将原梳齿汽（气）封片拆掉，换上蜂窝密封片即可。4）为了方便精确测量和调整汽封间隙，可将原不可调形式改为可调形式。,四、梳齿改蜂窝密封的改造方案,14,2、隔板内汽（气）封的改造方案,凡安装在具有环形套状结构隔板上隔板内汽封，均可改为蜂窝式密封。只需将原汽（气）封换成蜂窝式密封即可，隔板和退让弹簧均不做改变。但是，直接在隔板内圆处镶嵌齿片的汽（气）封模式不能改为蜂窝式密封。,15,，,3、叶顶汽封的改造方案,目前，蜂窝式叶顶密封主要用在汽轮机低压缸后几级动叶片的顶部，可取得良好的除湿效果。由于叶顶蜂窝式密封直径较大，须分若干弧段制造。所以，须用螺栓将蜂窝式密封弧段固定于预先在缸体上车制的沟槽内，并用垫片调整径向间隙，使其达到设计值（对于新机组，汽缸上的沟槽可在出厂前加工）。,16,五、国内蜂窝密封的应用,1、在国内电厂的应用以发电汽轮机为例，在国内已经将蜂窝密封成功应用于5万、10万、20万、30万和60万机组，应用部位包括轴端密封、级间密封和叶顶密封。最大叶顶蜂窝密封的直径达到3200毫米。具体应用如图5至图10所示。,17,图5、金山石化热电厂55MW蜂窝式轴端汽封,18,图6、江苏扬州发电厂220MW蜂窝式轴端汽封,19,图7、秦山核电站650MW蜂窝式叶顶汽封,20,图8、上海吴泾热电二厂600MW蜂窝式轴端汽封,21,图9、华能北京热电厂75MW蜂窝式叶顶汽封,22,图10、福建漳平电厂100MW蜂窝式轴端汽封,23,2、我厂蜂窝密封的应用,我厂化工部4117K1合成气压缩机组由日本三菱重工制造，分低压缸（17K1LP）和高压缸（17K1HP）两部分，都是筒体式垂直剖分结构，由高压背压式汽轮机（17K1T）带动，如图11所示。该机组有三段压缩，即低压缸的第一段压缩、高压缸一至六级的二段压缩及第七级的循环段压缩。,24,17K1HP,17K1LP,17K1T,图114117K1/K1T机组概况示意图,25,项目4117k1LP4117k1HP4117k1T型号2BF-92BF8-75BH-2工作介质合成气合成气蒸汽进气压力/温度MPa/7.502/3015.5/3710/485排气压力/温度MPa/15.56/139.623.31/524/375,机组主要技术参数：,可见，4117K1高压缸排气压力高达23.31Mpa，进气压力为15.5Mpa，压差7.81Mpa，平衡鼓的密封厂家在1980年制造时就已经采用了蜂窝密封。如图12。汽轮机进气压力10Mpa，排气压力4Mpa，压差6Mpa，只有二级作功，通流部分的密封难度较大。在以往的检修中，我们也发现，原设计用的梳齿密封密封效果不太好，经常需要更换。2006年停工大修时，化工部决定对4117K1T疏齿密封改造成蜂窝密封。由我们配合北京蓝爱迪公司的技术人员进行改造。参见图13。,26,图124117K1高压缸排出端蜂窝密封,返回,27,图134117K1T蜂窝密封,28,蜂窝汽封半径间隙为0.25-0.30mm（原梳齿密封汽封半径间隙为0.25-0.50mm），用贴胶布的方法进行检查，汽封块总膨胀间隙为0.2-0.6mm，各汽封块结合面间隙不大于0.05mm。当汽封间隙过大时，要修刮汽封块背弧；当汽封间隙过小时，则在汽封块背弧处錾点（冲铆）；高低齿用刮刀修到规定间隙。对于所有汽封块具有同一间隙均过大或过小的现象,可以相应调整汽封体。调整安装好下汽缸蜂窝汽封块后，为检查上汽缸蜂窝汽封间隙，要扣上透平上盖。本次检修中扣上透平上盖后才发现中分面有0.50mm间隙，重新紧好壳体中分面螺栓后再在下缸前后爪下加垫垫片，又重新调整下汽缸蜂窝汽封间隙，浪费了许多时间，在以后检修中要引起注意。主要是在汽机检修时应等缸体冷却充分后再垫上下汽缸猫爪处的垫块，然后才能松开壳体中分面螺栓。不然，在调整下汽缸蜂窝汽封间隙前，应先空扣一次大盖，检查中分面间隙不大于0.05mm。本机蜂窝汽封与轴之间为高低齿结构（参见图14、图15），落转子检查间隙时，一定要检查高低齿轴向位置合适。,4117K1T蜂窝汽封改造情况:,29,图144117K1T蜂窝密封与转子间有高低齿,30,图154117K1T蜂窝密封与转子间有高低齿,31,改造前4117-K1T轴封冷凝器排水量为12千克分钟，外漏蒸汽0.2吨小时；改造后4117-K1T轴封冷凝器排水量降为3千克分钟，外漏蒸汽完全消除，高压蒸汽的成本按38元吨计，以每年运行300天计算，则：(12-3)6024100030038+0.22430038=202464(元)本次蜂窝密封改造的总费用为34万元，即使不计需更换的疏齿密封配件费用，两年即可收回全部改造投资，经济效益非常明显。,4117-K1T蜂窝密封改造后效果,32,蜂窝密封由于其耐高压、高效封严、吸湿、防转子气流激振等几方面的优越性，并且安装方式与梳齿密封类似，已越来越多地用来替代梳齿密封，