12MW 汽輪機中的接觸式蜂窩汽封

張志偉

作者通聯：廣州珠江啤酒股份有限公司熱電廠 廣州市新港東路磨碟沙大街 510315

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一、改造背景

汽輪機汽封系統的作用是在汽輪機軸端形成蒸汽密封。高壓端的汽封的作用是防止高壓部分汽缸內的蒸汽外漏，造成軸承油內進水和蒸汽能量損失。低壓端汽封的作用是防止外界空氣順汽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。

珠江啤酒公司熱電廠3#汽輪機,是南京汽輪機廠生產的C12-50/5型次高壓抽汽式機組，額定功率為12MW，額定轉速為3000r/min，進汽壓力4.6～5.1MPa，進汽溫度為455～480℃，汽輪機前后端汽封采用梳齒迷宮汽封。機組于1997年投運后，汽封存在以下問題，影響機組的正常運行：①高壓汽封齒與汽封套磨損嚴重，導致主軸需送回廠家更換汽封套。②為防止汽封齒與汽封套相互磨損，廠家縮小了汽封套的外徑，高壓汽封間隙比最大標準值大增加0.5mm，機組漏汽量變大。③軸承箱內漏入泄漏的蒸汽，機組潤滑油帶水，乳化嚴重，導致需要停機組進行處理，潤滑油需全部更換。④排汽缸低壓汽封泄漏大，真空嚴密性受影響。

二、原汽封工作原理及存在問題

機組原來采用的是梳齒式迷宮密封，當有一定壓力的蒸汽流過梳齒式迷宮密封時，必須依次經過汽封梳齒尖與軸凸肩所形成的狹小間隙（圖1）。經過第一個間隙，蒸汽因節流作用由P1降至P2，汽流加速，隨后高速進入小室，發生撞擊和渦流，速度降低，動能轉化成熱能。當蒸汽經過第二個間隙時，又重復上述過程，壓力由P2降到P3。就這樣，蒸汽流經最后一個汽封梳齒時，壓力降至P，已與大氣壓力相差很小。所以，在一定的壓差下，汽封梳齒越多，每個梳齒前后的壓差就越小，漏汽量也越少，當汽封梳齒足夠多時，漏汽量為零。

圖1 梳齒式迷宮汽封原理圖

在實際運行中，梳齒式迷宮汽封對于漏汽，提高機組熱效率起到一定的作用，但也存在一些不足：①汽機在啟停過程中，當轉子過臨界轉速時，振動幅度較大，汽封徑向間隙較小時，汽封齒不具耐磨性，容易發生磨損，徑向密封間隙變大，漏汽量增加。②汽封齒與汽封套摩擦，產生大量的熱，有可能造成軸的局部過熱而引起轉軸彎曲。所以檢修時人為放大徑向間隙，以犧牲經濟效益的代價保障機組的安全。③泄漏的蒸汽順著軸頸竄入前軸承室，造成潤滑油嚴重帶水，導致調節系統各部件的腐蝕，引起調節系統部件卡澀，影響調速系統的準確性；同時會破壞軸瓦與軸頸之間的潤滑油膜，和軸承振動增大，影響到汽輪機的安全運行。④低壓端汽封密封磨損后，大量氣體漏入排汽缸，嚴重影響機組真空嚴密性，降低機組出力和熱經濟性。

為徹底解決梳齒密封迷宮密封漏汽問題，消除機組的安全隱患，提高機組的效率，決定在保留梳齒結構和汽密性基礎上，采用目前比較先進的接觸式蜂窩汽封技術進行技術改造。

三、接觸式蜂窩汽封的原理及優點

接觸式蜂窩汽封裝置是“接觸技術”與“蜂窩技術”的結合。接觸式密封是在已有的汽封圈體中心部分嵌入與軸（套）直接接觸的非金屬汽封齒。特點：①與轉軸接觸部分的接觸齒材料是一種非金屬復合材料，具有耐高溫、耐磨、耐油特性，自潤滑性好，不易磨損軸徑，不會引起軸發熱，也不會引起軸系振動，能夠保持與軸始終接觸而穩定運行，密封效果好，減少漏汽，機組效率得到提高。②汽封齒的背部設有單獨的彈簧壓力系統，具有自動跟蹤轉軸，尤其是汽輪機啟動停止時，實現自動跟蹤、自動補償，完全無間隙運行。③接觸汽封齒具有精確限位裝置，徑向后退量2.5mm，徑向前進量0.5mm，具有很高靈敏度，適應轉軸偏擺及晃動。

蜂窩汽封是在原汽封低齒部位加入蜂窩帶，蜂窩帶由內孔表面為蜂窩形狀的六邊形小蜂窩孔組成，其材料為鎳基高溫合金材質，用高溫真空釬焊與汽封圈焊接在一起。當汽流通過高齒進入蜂窩帶時，汽流在壓力的作用下，進入蜂窩汽室，汽流在六角形汽室中形成渦旋，使汽流內水平方向變為向下垂直方向，進而借助汽流壓力形成一道汽墻，并形成一道汽密封，達到阻流、擾流的作用。可有效地達到密封效果，減少做功汽體泄漏，在同等間隙的情況下，其泄漏量比普通梳齒汽封減少30%～50%，大大提高了汽輪機組的熱效率。利用蜂窩網格對汽流產生磨擦阻尼效應，相當于一層氣墊，有助于減小軸振。蜂窩帶中的蜂窩網格對氣流中的水分具有結露作用，并且接觸式蜂窩汽封在普通梳齒汽封上改造比較方便，不用改變轉子或汽封套結構，只需參照原汽封圈的尺寸即可。

四、改造方案

1.前汽封改造的實施方案

圖2 前汽封改造后結構圖

針對3#汽機前軸封泄漏大的情況，將其前汽封的第七至十一圈汽封更換為接觸式蜂窩汽封（圖2）。在壓力區段非金屬密封齒可將密封齒與汽封套的徑向間隙根據不同的位置，調整至金屬齒無法達到的0～0.15mm，既能減小缸內各漏點的漏汽量，有助于進入汽輪機的蒸汽量都沿著汽輪機的葉柵通道前進做功，又能防止汽缸內蒸汽漏入軸承室，造成潤滑油含水。達到減少損失，提高機組效率的目的。

2.后汽封改造的實施方案

針對3#汽機后軸封嚴密性差的情況，將后汽封的全部四圈汽封更換為接觸式汽封（圖3）。在真空區段非金屬密封齒可將密封齒與汽封套的徑向間隙根據不同的位置，調整至金屬齒無法達到的0～0.05mm，有效防止汽輪機外側的空氣向汽輪機內泄漏，保證汽輪機真空系統穩定，從而保證汽輪機有盡可能低的背壓參數，提高汽輪機效率。

圖3 后汽封改造后結構圖

五、改造后機組的運行情況

改造后，3#汽輪機汽封漏汽明顯減少，由原來泄漏0.4t/h 降低至0.1t/h，解決軸端汽封泄漏大的缺陷，有效解決了汽封漏汽進入軸承室造成汽機潤滑油乳化失效，減少了更換汽輪機潤滑油的損失，機組真空度提高1kPa。