刷式汽封在透平机中的应用

1 刷式汽封在透平机械中的应用刷式汽封在透平机械中的应用 周周 亮亮 江苏鑫信润科技有限公司 江苏鑫信润科技有限公司 摘要摘要 本文主要介绍刷式汽封的发展 特点以及这近年来我们对刷式汽封在 透平机械中的应用总结 自 2006 年以来江苏鑫信润科技有限公司对国内运行的 60 多台汽轮机的 1400 多道汽封进行了刷式汽封改造 取得了非常满意的效果 怎样适应汽轮机各种运行工况和汽轮机不同的通流部位而设计的刷式汽封 在 结构上和安装要求上必须满足被改造机组的要求 改造后的机组既达到足够好 的降耗效果又保证汽轮机的长期安全运行 是下文介绍的重点 关键词 透平机械 刷式汽封 节能降耗 关键词 透平机械 刷式汽封 节能降耗 1 概述概述 传统的迷宫式密封为高温 高压 高圆周速度的轴流式透平机械气体密封 技术作出了杰出的贡献 并且当前大多数的汽轮机 燃气轮机 航空发动机 风机等透平机械的密封仍在广泛应用 作为这种非接触式密封的特点是制造简 单 维修方便 不需要润滑 可以自由热膨胀 不受圆周线速度限制 然而这 种密封的间隙不可能做的很小 局部摩擦以及摩擦后留下永久性磨损不可能恢 复等问题 必然造成泄漏量大 转子运行不稳定 对于当前世界上发电设备制 造业的温度 压力和转速越来越高 对这些机组节能降耗指标和长期安全运行 的要求也越来越高 刷式迷宫式复合密封的广泛应用势在必行 欧美和国内多家企业在 90 年代初起对透平技术重点研究的两项技术 三维 叶片和刷式密封 三维叶片现已得到广泛的应用 新机组采用和旧机组改造 刷式密封已作为 2000 年后重点发展和推广的成熟技术 首先刷式密封已先在燃 气轮机 航空发动机率先广泛应用 汽轮机的应用已逐渐开始 国外某公司已 对从 10MW 800MW 汽轮机成功改造了 100 多台 在国际上取得了非常好的 经济效益 经过多年的潜心研究和大规模推广应用 在国内江苏鑫信润公司改 造的 60 多台汽轮机的实例 取得了非常好的经济效益 实验研究和实际应用表明 刷式密封的泄漏量是迷宫密封的 1 5 1 10 并 改善了转子的稳定性 减少局部摩擦 应用表明 刷式密封有潜力能使燃气轮 2 机提高出力 3 6 使发动机的推力提高 2 耗油降低 2 使压气机的 喘振裕度提高 5 如压气机叶顶用刷式密封 对于汽轮机 应用传统的迷宫 式汽封的汽轮机气封泄漏损失约占内部总损失的约 1 3 对于在高压缸中 级叶 顶泄漏损失和隔板泄漏损失分别占级损失的 23 和 7 大约和该级静叶和动 叶型损失以及二次流损失相等 理论计算对于高压部分的叶片 如叶顶间隙减 少 50 级效率可以提高 2 从这个角度看刷式密封的改造比叶片三维改造 能取得同样机组效率 但汽封改造比叶片改造成本低的多 改造周期短的多 可以和电厂大修期间同步进行 2 迷宫式密封迷宫式密封 传统的迷宫式梳齿密封的工作原理是迫使流体通过曲折的途径递减其压力 以减少漏气量 见图 1 密封齿的间隙是有最低安全极限的 对汽轮机而言 一 般取 0 25 0 65mm 0 25mm被视为安全运行的最小许可值 实际运行中的汽轮 机一般为 0 6 0 8mm 迷宫式密封的气封环的背后有片式弹簧 当汽封齿与转 子碰磨时 汽封环有一定的退让余地 使其不至严重损伤轴颈和气封环 但不 能防止严重磨擦 磨擦后的汽封齿不能恢复 间隙将更大 对于旋转中的透平转子 产生与汽封摩擦原因主要有几种 a 转子过临界转速时的异常振动 b 安装过程中的不对中 c 温差引起的变形 d 轴承的损坏 e 气流扰动引起转子不稳定振动 摩擦引起汽封齿永久性磨损 间隙增大 导致泄漏量增大 另外 摩擦使 转子局部受热变形产生弯曲变形使磨损加剧 磨损还可以导致密封齿变形 变 脆 脱落 缺损 使泄漏进一步增加和造成安全隐患 这些事故在电厂也经常 发生 汽封齿磨损对机组的出力和效率的下降 以 500MW 冲动式汽轮机为例 间隙值比设计值增大 0 508mm 0 02 级出力损失约 160KW 3 图 1 迷宫式汽封工作原理 3 刷式密封刷式密封 如图 3 所示 刷式密封由前面板 后面板和夹在两者之间的高密度高温合金 丝组成的刷丝组成 刷丝沿转子旋转方向有一定倾角 这样可以吸收转子的径 向位移 使刷子很快可以恢复闭合状态 有的刷丝在进气流方向也有倾角 同 样是可以吸收气流的扰动 转子 气流的振动和扰动可以使刷丝恢复原状态 保持原有间隙 不会出现永久性的损伤 这就是刷式密封最大特点 刷式密封 是可以允许磨擦 理论上可以是零间隙 刷丝的材料是一种钴镍铬钨的合金 这种合金在 980 1800 的环境下有较强的抗氧化性 在与大轴接触时 刷丝可以跟随大轴径向移动 刷丝局部热点仍能有弹性 当然刷式密封不是没有泄漏 泄漏主要发生在密集排列的细金属之间形成 的微小缝隙中 这些缝隙形成的曲折路径确保流体在其流动的不均匀性 使流 体产生自密封效应 从而减少了泄漏 见图 2 汽流在刷丝丛中流动示意图 另外为了保证汽轮机的安全运行刷丝与转轴之间也留有安全间隙 这样也要产 生泄漏 国外对刷式密封在汽封试验装置中试验 在气流温度 537 1000 最 大表面线速度 366m sec 和 2MPa 压差条件下试验 试验显示与传统的迷宫式密 4 封相比 刷式密封能显著降低气流的泄漏量 当与间隙为 0 18mm与的迷宫式密 封相比 刷式密封只有它的 1 5 的泄漏量 当与间隙为 0 50mm的迷宫式密封相 比 刷式密封只有它的 1 17 的泄漏量 对刷丝的磨损试验 试验模拟大型蒸汽 轮机条件 在零间隙时 试验表面线速度为 160m sec 大轴在偏心 0 25mm下运 行 1 个小时 测出的刷丝磨损仅为 0 1143mm 长期的试验表明在较小的扰动下运行 刷丝磨损非常之小 而对大扰动情 况下 转子偏心较大 可将刷握装在可收缩的密封上 称之为可收缩刷式密封 国内运行的大型燃煤电站汽轮机振动比较小 合理考虑刷丝自由端长度就可以 解决较大振动的退让问题 刷式密封的刷丝的粗细也是通过试验确定的 较粗的刷丝有较高的自然频 率和较小的变形 更为坚硬 也更稳定 但如果刷丝太粗 柔软性就会降低 在与大轴接触后会磨损大轴 刷丝太细 硬度就会降低 弹性恢复能力会下降 目前常用的 0 08 0 15 的刷丝 提供了合适的稳定性 金属丝张力适中 也 延长使用寿命 根据刷丝两面的压差大小一般设计刷丝轴向厚度为 0 8 1 2 对于刷丝 两面较大的压差 刷式密封可以加厚后面板和减小栅栏高度和让刷式密封沼气 流方向后倾斜一定的角度 如压差更大可以在前面板加一个压力平衡仓来平衡 刷丝前后压差 试验表明当刷丝轴向厚度 B 达到零泄漏刷毛厚度 B 即 B B 再增加刷毛厚度已无意义 汽流在刷丝丛中流动见图 2 有如下特点 柔性密封 能适应转子的瞬间偏心而灵活快速的退让 零间隙密封 刷封是允许磨 擦的 理论上是可以做到零 间隙密封 甚至负间隙 但考虑 到一般转子没有特殊硬化处 理 兼顾用户的担忧 一般考虑 把间隙最小降低到 0 05 优异的密封性能 刷毛在汽 流作用下产生各种流动 紊流 图 2 汽流在刷丝丛中流动示意图 5 状态消耗了汽 气 体的能量降低 了汽 气 体的温度和压力 从而减少了泄漏 0 20 40 60 80 100 120 9 3610 4812 0013 1214 2415 3616 48 时间 温度 测温点1测温点2测温点3测温点4 图 4 刷式汽封试验台温度测点布置图 图 5 各温度测点温升曲线图 图 4 是工厂刷式汽封试验台 通过改变级压差 线速度 刷丝间隙 刷丝过盈 试验出 级漏气量 对轴的磨损情况以及各点的温度变化 图 5 显示转轴某一横截面周向在某一 刷丝过盈下 各点的温升变化曲线 4 4 汽轮机刷式梳齿复合汽封的设计汽轮机刷式梳齿复合汽封的设计 目前我国基本负荷运行的汽轮机以 300MW 和 600MW 为主 这类机组高 中 低压汽缸的缸内效率一般为 80 90 这缸内 10 20 损失中 30 是漏 图 3 刷式汽封结构示意图 6 损失 漏汽损失占总缸内效率大约 5 减少这些损失将带来巨大的经济效益 在众多透平机械汽封中 刷式汽封结构简单 密封效果好 安全可靠 再结合传统的迷宫式汽封特点 我们设计一种刷式迷宫复合汽封 几年来的这 种汽封得到了广泛的好评 4 14 1 刷封蒸汽质量泄漏量特性刷封蒸汽质量泄漏量特性 试验得出刷封蒸汽质量泄漏量特性 W 1 1 Tu PuDj 式中 W 为质量泄漏量 为为刷式汽封质量泄漏量系数 Pu 为上游 蒸汽总压 Dj 为汽封内径 Tu 为上游蒸汽绝对温度 大量的实验证明刷式汽封蒸汽质量漏汽量系数 是梳齿汽封蒸汽质量漏汽量系 数 的 40 上式表明 质量泄漏量与上游蒸汽总压成正比 与上游蒸汽绝对温度开方成反 比 当汽封间隙相同时 Dj 的变化就是泄漏面积与质量泄漏量成比 就是说 汽封间隙相同情况下改造叶顶刷式汽封比隔板效果好 在汽轮机中一 般设计刷式汽封的间隙是梳齿汽封的三分之一 考虑刷式泄漏量系数 因素和刷式汽封间隙减小因素 说明刷式汽封泄漏量小于梳齿汽封 五分之一 4 24 2 汽轮机级刷式迷宫复合汽封的设计汽轮机级刷式迷宫复合汽封的设计 哈汽 上汽 东汽生产的 300MW 600MW 汽轮机是目前国内基本负荷运行最 多的机组 也是我公司刷式汽封改造最多的机组 现以这两种机组为例 按缸 内热力参数和几何参数 介绍刷式迷宫复合汽封的设计思想 力求以最少改造 费用 达到最佳的经济效果 从图 3 刷式密封示意图结合缸内各点热力参数和几何参数看 怎样选择 刷毛厚度 保证 B B B 所选择刷毛厚度 B 零泄漏刷毛厚度 选择保障 机组的安全运行的最小刷毛间隙 根据刷封所在位置的汽流压力 压差 温度 焓降 汽封直径 汽流速度 蒸汽饱和度 汽流方向 旋转方向 密封齿的轴 向位置等等 来选择刷盒前 后挡板的高度 刷毛直径 刷毛自由端长度 刷 封数量 这些都必须精心设计 7 图 6 图 5 是典型汽轮机级刷式梳齿复合汽封设计示意图 表表 1 哈汽 哈汽 600MW 亚临界一次中间再热 单轴 反动式 四缸四排汽亚临界一次中间再热 单轴 反动式 四缸四排汽 压力 MPa 温度 焓值 kJ kg 流量 T h 焓降 kJ kg 膨胀 比 温差 流量差 T h 总焓降 108kJ 级 数 进口16 6753733941781高压 缸出口3 52231230101474 5938413 148225306 416 8397 进口3 253735361474 59中压 缸出口0 79733333126 61393 25409 42 420481 346 0376 进口0 78133333126 61393 25低压 缸出口0 00493323331071793 60 776430032211 0577 压力 MPa 温度 焓值 kJ kg 流量 T h 焓降 kJ kg 膨胀 比 温差 流量差 T h 总焓降 108kJ 级 数 进口16 675373394 4910 5高压 缸出口3 624316 73019 9741 39374 513 046220 3169 113 4098 中压 缸 进口3 2615373536 4741 39 4072 4665202 683 393 0176 汽轮机级通流图 8 表表 2 上汽 东汽 哈汽 上汽 东汽 哈汽 300MW 亚临界中间再热 单轴 反动式 两缸两排汽亚临界中间再热 单轴 反动式 两缸两排汽 表 1 表 2 是我国目前运行最多 300MW 和 600MW 亚临界中间再热 单轴 反动式汽轮机的热力参数 表中看出 高 中压缸内温度高 刷丝材料的高温 性能是设计考虑的重点 高压缸膨胀比大 压差大 设计考虑的重点是怎样保证 大压差下刷毛形状不变形 怎样选择前 后刷封档板的高度 低压缸的压差小 温度低 焓降大 做功能力强 设计考虑的重点是刷丝自由端长度变化和间隙 的合理选择 从各汽缸的总焓降比例看 300MW 高 中 低压缸分别为 29 4 26 44 5 600MW 高 中 低压缸分别为 28 7 25 1 46 2 低压缸的焓降大 做功能力占将近一半 改造低压缸汽封 减少低压缸漏气应 该优先考虑 从 1 1 公式看 改造部位的直径与泄漏量成正比 这样叶顶处的直径 比隔板和轴封大 尤其是低压缸的叶顶 叶顶应该优先考虑改造 从汽封间隙看叶顶处的间隙比隔板和轴封大 中 低压转子叶根大多数是 松动纵树形叶根 运转中的离心力有一定伸出量 长叶片也有一定的弹性伸长 量 所以制造厂设计叶顶处的间隙比较大 一般为 2 8 毫米 刷式汽封大大减 少该处的间隙 刷封允许瞬间碰磨 这样也说明叶顶应该优先考虑改造 冲 动式汽轮机叶顶改造意义不大 从 1 1 公式看 改造部位的压力与泄漏量成正比 与蒸汽的比容成反 比 这样高 中压间平衡盘和高压轴封汽封改造也很关键 4 3 刷式汽封间隙设计刷式汽封间隙设计 刷式汽封间隙设计是兼顾密封效果和机组安全运行两个因素考虑 地面基本负荷发电用汽轮机和地面调峰负荷发电用重型燃气轮机基础是刚 性设计 转子 支撑轴承运行中无自由退让空间 转轴的汽封面没有度耐磨涂 层 刷式汽封与转子之间必须是有间隙设计 汽轮机运行中不允许刷丝与转子 长期碰磨 起 停机过程和过临界转速等不稳定工况时瞬间碰磨是允许的 我 们在试验台上做的刷封与转轴碰磨试验结果证明 在碰磨横截面转轴的圆周上 温度场是不均匀的 这样会造成该处转轴周向刚性不均匀而发生转轴弯曲 如 果碰磨截面是均匀摩擦 横截面转轴的圆周上温度场是均匀 也会造成转轴轴 向刚性不均匀 同样会造成转轴因轴向刚性不均匀而发生转轴弯曲 国际标准动平衡精度规定 3000rpm 的汽轮机 重型燃气轮机 发电机动 平衡精度为 允许几何中心偏移 小于 2 5 m 0 0025mm 对于一个 50 吨转 子 如果发生 0 01mm 弯曲 超出 允许几何中心偏移 4 倍 将产生 500 公 斤 毫米不平衡量 这个不平衡量足够产生振动超标 这个振动在一定时间内 是发散过程 直至碰磨消失 振动才能逐渐收敛 对于军用航空发动机 民用航空发动机 舰船用燃气轮机 地面轻型发电 或动力用燃气轮机 他们基础和支撑轴承是弹性设计 转子上汽封面度有耐磨 涂层 这样刷式气封可以根据不同部位设计成零间隙或很小间隙是可行的 出口0 7945334 43129 4658 进口0 7945334 43129 4658低压 缸出口0 0053934 32345 5546 46783 90 78913001125 1586 9 5 5 燃气轮机刷式密封设计燃气轮机刷式密封设计 刷式密封最早是在航空发动机领域应用 成熟应用已超过 10 年 民航客机 的空客各系列为例 波音各系列 F 15 F 16 战机 GE 公司的地面发电用重型 燃气轮机的 6B 7EA 9E 9F 级都已广泛使用 因为航空发动机和地面用燃气 轮机的刷式密封主要应用在透平和压气机部分的主流道密封和透平二次流密封 主流道密封包括外流道叶顶密封和内流道叶片下缘盘和轮缘盘的密封 二次流 密封是指透平的冷却密封空气的密封 轴流式压气机动叶和静叶顶没有围带结 构 这种给设计刷式汽封增加了难度 压气机耗功占透平做功的三分之二 提 高压气机 1 的效率可以提高整机 2 的效率 以 GE 公司生产的 PG6581B 地面发电用重型燃气轮机为例 共有三处采用刷 式密封 即 压气机第十六级主流道动叶顶密封 透平主流道二级喷嘴内密封 和 2 号轴承冷却密封空气密封 其中压气机第十六级主流道动叶顶密封除减少 泄漏损失外 还可以增加压气机喘振裕度 透平主流道二级喷嘴内密封刷毛达 到 5 毫米以上 刷毛自由端长度达到 10 毫米以上 刷毛材料用 Haynes25 高温 合金 2 号轴承处于透平排气室环形腔内 其工作环境非常恶劣 使用刷式汽 封后保证 2 号轴承冷却效果 还防止润滑油泄漏而引起火灾 从中可以看出这 使用刷式汽封三处都是这台机组最关键的地方 与军用发动机相比 更关注油耗 更关注环保要求和更低的噪音要求 而 对于自身重量则没有军用发动机那么苛刻的民用大飞机发动机 这给严紧周密 的刷式密封设计提供了很大的发展空间 6 6 刷式汽封改造程序刷式汽封改造程序 国内基本负荷运行的汽轮发电机组一般四年一次大修 每个大修一般 30 60 天的周期 刷式汽封改造可与电厂大修周期同步完成 6 1 被改造机组提供的资料被改造机组提供的资料 1 汽轮机的纵向 横向剖面图 2 满负荷工况汽轮机的热平衡图 各汽缸进 出口的流量 压力 温度 焓降参数 3 调节阀和各压力级特性曲线 4 全部汽封的间隙的设计值 及最后一次大修时实测的间隙值 10 5 被改造汽封的原设计图 6 尖锋负荷 基本负荷 50 30 负荷参数 7 燃料消耗 克标煤 kwh 改造前的数字 6 26 2 改造过程改造过程 1 收集资料 图纸 精心设计刷式密封体 2 现场揭缸后测量 核对被改造部位尺寸 出正式加工图纸 3 工厂加工 制造刷式汽封体 4 现场安装 调整刷式汽封体 5 试验测量改造效果 7 7 结束语 结束语 7 1 国内 外大量使用的实践证明刷式汽