蜂窩汽封在6MW抽凝式汽輪機軸端汽封上的應用

吳劍恒，蘇志祥

（福建省石獅熱電有限責任公司，福建 石獅 362700）

汽輪機軸封系統可在轉子軸端形成蒸汽密封，防止高壓部分汽缸內的蒸汽外漏，可造成軸承油內進水和蒸汽能量損失，同時防止外界空氣順軸封漏進真空部分汽缸，影響機組的真空以及運行的安全性和經濟性。

軸封漏汽造成的損失是汽輪機效率較低的第二大因素。蒸汽的泄漏不僅損失熱能和介質，還會大大降低凝汽器真空，使汽輪機的熱經濟性下降。

一、梳齒式迷宮汽封的原理及其存在問題

1.梳齒式迷宮汽封的工作原理

某熱電廠兩臺C6-35/8型抽凝式汽輪機軸端汽封設計采用非接觸式的梳齒式迷宮汽封，其工作原理為：一定壓力的蒸汽流經梳齒式迷宮汽封時，必須依次經過汽封蓖齒尖與軸凸肩所形成的狹小間隙，如圖1所示。當經過第一個間隙時，蒸汽產生節流作用，壓力由p1降到p2，汽流加速，隨后高速進入小室，發生撞擊和渦流等現象使速度消失，動能轉變為熱能。當蒸汽過第二個間隙時，又重復上述過程，壓力由p2降到p3。就這樣，蒸汽流經過最后一個汽封蓖齒時，壓力降至p，已與大氣壓力相差很小。所以，在一定的壓差下，汽封齒越多，每個蓖齒前后的壓差就越小，漏汽量也越少，當汽封蓖齒數量足夠多時，漏汽量為零。但是，由于齒間為環形腔室，環向流動大大減少了渦流降速的效果，因而泄漏量大，而且此結構不具有可磨性，蓖齒磨損后，間隙變大，漏汽損失增加，機組效率降低。

2.梳齒式迷宮汽封存在問題

由于汽輪機在啟動過程中動靜部分中心的相對位置發生變化，以及汽流進入蓖齒密封的密封腔室時發生軸的自激振動，軸封蓖齒磨損非常嚴重。在1號機組大修期間進行了測量，發現轉子前軸封處的蓖齒高度已經磨短了0.55～0.85mm，后軸封處的蓖齒高度已磨短了0.65～0.75mm(蓖齒高度設計值為4.85mm)。軸封蓖齒的磨損導致高壓側軸端汽封處的高壓高溫蒸汽漏入到前軸承，惡化了軸承工作條件，并且造成潤滑油乳化變質，危及機組安全運行；軸封蓖齒的磨損還導致低壓側軸端汽封嚴密性下降，大量氣體漏入排汽缸，嚴重影響汽輪機真空嚴密性，使機組啟動抽真空時間延長、凝汽器實際運行平均真空度偏低，降低了機組出力和熱經濟性。

圖1 迷宮式汽封原理圖

二、蜂窩汽封的原理及其特點

為徹底解決梳齒迷宮密封漏汽，消除機組的安全隱患，提高機組的效率，決定在保留原有的梳齒結構和汽密性基礎上，采用目前比較先進的蜂窩汽封進行技術改造。這樣不僅可保留梳齒密封節流降壓的特點，還可以充分發揮蜂窩帶多級密封和寬面密封的結構特性，提高密封性能，加強汽輪機軸端的阻漏效果。

1.蜂窩汽封的原理

蜂窩密封原理主要是利用熱力學磨阻效應。當汽流進入蜂窩帶，由于蜂窩網格的作用，氣體在每個蜂窩網格內形成渦流，產生渦流阻尼，對轉子和靜子之間的汽流產生阻礙，使汽流方向發生改變，汽流的動能降低并因磨阻而轉換為熱能，氣體在蜂窩內壓力劇降到很小值，泄漏量減小，從而達到密封效果。

2.蜂窩汽封的優點

與梳齒式迷宮密封比較，蜂窩汽封具有以下優點：①蜂窩封嚴面是材質柔軟的正六角形蜂窩網格，具有可磨耗的特點，如發生動靜碰撞也不會損傷葉片或轉子軸，因而安全性好。②蜂窩的特性決定其耐磨，使用壽命長。③蜂窩封嚴的阻尼特性決定其封嚴效果好，在相同的汽封間隙下，泄漏量比傳統的梳齒迷宮密封降低30%～70%。④產生的蒸汽阻尼相當于一層汽墊，可避免氣流激振和其他引起系統不穩定的振動。⑤具有除濕等特殊功能。

三、蜂窩汽封的技術要點

1.軸端汽封改造的原則和方案

軸端汽封的改造原則：不拆除軸上的蓖齒，在保留原有梳齒結構和汽密性的基礎上，在汽封環上配以蜂窩汽封。汽封環座與齒為同體加工，蜂窩與篦齒的間隙為0.20～0.25mm。

軸端汽封的改造方案：①高壓端軸封采用高低蜂窩與梳齒迷宮封嚴相結合的方法，保留原軸端汽封環兩端上插入齒與蓖齒，汽封環用高低蜂窩相結合，3.2mm高的低蜂窩鑲入汽封環座部分，原汽封環上的齒用寬1.6mm的高蜂窩代替，見圖2。這種復式結構保留汽封環的兩端插入齒與蓖齒，使汽封具有梳齒迷宮封嚴結構，而且加入蜂窩封嚴結構，使得汽封效果優于單一結構。②低壓端軸封采用高蓖齒低蜂窩汽封，見圖3。保留原有的梳齒結構，在汽封環上配以低蜂窩。這樣，不拆除軸和汽封環上的蓖齒，在保留原有氣密性的條件下，增加了蜂窩汽封，使得氣密性在原有基礎上提高。汽封環座與蓖齒為同體加工，蓖齒的根部寬度為1.0mm，頂部寬度不小于0.60mm，最頂端寬度為0.3mm。

2．蜂窩汽封的設計和制造

（1）圖紙尺寸。依據原汽輪機的軸端汽封圖紙尺寸以及所確定的技術方案，設計蜂窩汽封環圖紙，并根據圖紙加工制造蜂窩汽封代替原有的梳齒式汽封。

（2）材料。蜂窩汽封環分為汽封環座及蜂窩帶兩部分，環座材料選用15CrMo，蜂窩帶材料選用進口的鎳基高溫合金海斯特 (HASTELLOYX，δ=0.076mm)箔材，蓖齒則選用硬度低、耐磨損的鐵素體。

（3）蜂窩芯格形狀及規格：蜂窩的形狀為正六角形。蜂窩的名義尺寸為內切圓直徑1.6mm，蜂窩帶高度為3.2mm左右。

（4）環座加工。根據原汽封環圖紙設計蜂窩汽封環，環座的相關尺寸應與原汽封環尺寸完全一致 (如外徑、環座寬度、調整塊安裝位置等)。

（5） 蜂窩帶的釬焊。蜂窩帶與環座之間運用專用焊接設備，采用特殊焊接工藝進行釬焊，焊合率應在85%以上。

（6） 焊后加工：蜂窩釬焊后，按要求利用線切割將汽封環進行分斷。

由于改造重點是根據轉子上篦齒的磨損情況配做蜂窩汽封，并且不清楚篦齒的磨損情況，廠家先對汽封環座進行粗加工，待利用機組大修期間技術人員現場測得準確數據后，再進行精加工，根據篦齒磨損量配車蜂窩釬焊面，見圖4。

為方便蜂窩與篦齒間隙過大時的間隙調整，在汽封環座的定位面根部加工一個R0.3mm的圓弧槽，見圖5。

3．蜂窩汽封的安裝

改造時，高壓端軸封安裝六圈高低蜂窩汽封 (見圖6)，其中外側兩圈汽封與內側汽封之間形成充汽和抽汽密封兩個腔室，目的是防止蒸汽外漏、保護油質以及阻止封汽氣體進入抽汽側；其余四圈發揮節流降壓作用和保證抽汽壓力，達到更好的密封效果。低壓端軸封安裝三圈高篦齒低蜂窩汽封，目的是有效地阻止軸封供汽漏入汽缸，維持軸封供汽腔的汽壓平穩，防止外界空氣進入抽汽腔和軸封供汽進入抽汽腔，并避免軸向位移所造成的摩擦。

由于蜂窩芯易變形，在安裝時應特別注意防止磕碰。間隙調整的方法與普通疏齒形汽封相同，并將蜂窩與蓖齒間隙由原來的0.4mm調整到不大于0.2mm。

四、蜂窩汽封的應用效果

改造后1號汽輪機軸封漏汽明顯減少，按減少漏汽0.6t/h計算(軸封漏汽量設計值為1.6t/h)，機組的發電能力可以增加125kW，每年可多發電975MW·h，提高了機組的真空度1.0kPa，機組因此每年可節約標煤77.5t，該改造項目還減小了維修費用和工作量。

根據1號機組的經驗，對2號汽輪機軸封進行同樣的改造，2號汽輪機軸封改造后可減少漏汽0.9t/h以上，每年可多發電1 463MW·h，同時節約標煤116t。

綜上所述，改造后兩臺6MW抽凝式汽輪機每年可節約標煤1 047t，減少SO2排放121.1t，減少NOX排放76.1t，減少粉塵排放773.2t，減少CO2排放14 516.6t。

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