利用帶整流柵的刷子汽封降低汽輪機(jī)振動(dòng)并提高效率

紀(jì)親禮

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

通過減少通流損失可最大程度地提高汽輪機(jī)出力和效率。用新型、伸縮型刷子軸封和刷子型圍帶汽封來替換原來的迷宮式軸封和級(jí)間汽封，可以減小間隙值和級(jí)間漏汽，并且不會(huì)引起轉(zhuǎn)子或葉頂碰磨。但如果汽封的設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)導(dǎo)致不應(yīng)有的振動(dòng)，使汽輪機(jī)得不到優(yōu)化利用。對(duì)正在改造的汽輪機(jī)進(jìn)行模擬并確定正確的汽封和支持軸承組件，可在降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)的同時(shí)提高汽輪機(jī)效率。

1 振動(dòng)帶來的問題

眾所周知，高壓汽輪機(jī)中的迷宮式汽封會(huì)產(chǎn)生力的梯度，使轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。這種力的梯度通常發(fā)生在多齒的迷宮汽封扼流腔室之間。其作用正好與支持軸承的穩(wěn)定阻尼力相反，并且受到很多因素的影響。

主軸和刷毛之間的徑向間隙會(huì)改變汽封的失穩(wěn)力。如果刷毛與轉(zhuǎn)軸接觸，那么其失穩(wěn)力就會(huì)小于原汽封配置時(shí)的失穩(wěn)力；如果由于運(yùn)行中轉(zhuǎn)子失中或汽缸變形造成刷毛磨損，就會(huì)導(dǎo)致間隙擴(kuò)大，使該處壓力升高。出于此原因，建議在假設(shè)"最壞"的刷毛間隙情況下，來分析帶有刷子汽封的迷宮汽封環(huán)。雖然這種假設(shè)是保守的，但是卻能確保其結(jié)構(gòu)在任何磨損情況下均是穩(wěn)定的。

汽封間隙、旋流速度以及支持軸承的設(shè)計(jì)都會(huì)影響到振動(dòng)程度。最理想的是：汽封具有最小的安全間隙值，從而獲得最高的效率。如果這樣會(huì)導(dǎo)致迷宮汽封腔室內(nèi)的壓力過大以及不應(yīng)有的振動(dòng)，往往可以通過增加整流柵或改變支持軸承來緩解這種現(xiàn)象。

蒸汽旋流主要源自于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、通過噴嘴的汽流以及動(dòng)葉片出汽邊的作用。明顯的旋流速度在汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中是固有的，并會(huì)導(dǎo)致機(jī)組效率降低。

已經(jīng)對(duì)降低旋流采取了措施，但是在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行時(shí)，由于磨損和腐蝕仍會(huì)增加旋流速度。

旋流速度是引起同步振動(dòng)的主要原因。鑒于要使汽輪機(jī)返回到完全符合設(shè)計(jì)規(guī)范通常是不可行的或是不可能的，因此解決的措施之一就是直接在迷宮汽封前增設(shè)一個(gè)整流柵（或稱之為“防旋流環(huán)”）。這些整流柵與轉(zhuǎn)子軸線成45°角，使蒸汽進(jìn)入汽封時(shí)減小其圓周速度。如果旋流速度為0，則轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，振動(dòng)降低。

2 汽輪機(jī)的模擬

在評(píng)估是否需要安裝刷子汽封，或在尋求解決轉(zhuǎn)子振動(dòng)問題的措施時(shí)，用戶應(yīng)對(duì)潛在的振動(dòng)源及其緩解方法進(jìn)行徹底的分析。這涉及到利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，建立一個(gè)轉(zhuǎn)子和通流部分的計(jì)算機(jī)模型。還要求研究熱平衡，以便確定內(nèi)部壓力和各級(jí)載荷。盡管汽輪機(jī)的現(xiàn)行運(yùn)行條件由于磨損和腐蝕而與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)有所區(qū)別，但是利用這些數(shù)據(jù)足以建立模擬。到了現(xiàn)場(chǎng)安裝新汽封、整流柵或軸承時(shí)，任何差別都可以得到彌補(bǔ)。

一旦建立了模型，就可以通過模擬來顯示不同類型汽封和軸承的效果。作用在轉(zhuǎn)子上的各種有效的、相互耦合的力的梯度，會(huì)引起轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定。這種相互耦合的力的梯度或由油膜的流體動(dòng)力造成，或由通流部分的氣動(dòng)力造成。利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛性、質(zhì)量和減振性能可以算出減振特征值和振型。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在接近于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行并且汽輪機(jī)的負(fù)荷達(dá)到最大時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生失穩(wěn)性。這是一階臨界振型，會(huì)引起不穩(wěn)定現(xiàn)象。這時(shí)可以通過計(jì)算預(yù)期的汽輪機(jī)的氣動(dòng)相互耦合剛性值以及一階臨界振型的特征值進(jìn)行分析?？梢詫?duì)預(yù)期的各種不同相互耦合剛性值反復(fù)進(jìn)行多次這種計(jì)算，以反映出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)失穩(wěn)力的靈敏度。

在整個(gè)行業(yè)里有關(guān)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性方面，除了規(guī)定轉(zhuǎn)子必須在所有運(yùn)行工況下具有穩(wěn)定性以外，并沒有其它具體的要求。一個(gè)合理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是：會(huì)由汽封壓力誘發(fā)導(dǎo)致失穩(wěn)的一階臨界振型必須是預(yù)期失穩(wěn)梯度的2 倍。這種最小穩(wěn)定性相對(duì)于2.0 的安全系數(shù)，或稱為100%的穩(wěn)定性裕度。一臺(tái)機(jī)組在剛剛達(dá)到100%負(fù)荷時(shí)就開始失穩(wěn)，其穩(wěn)定性裕度為0%。

在使用不同類型的軸承、軸封和圍帶汽封進(jìn)行一系列模擬后，就可以為特定機(jī)組確定其最佳的組合。因此，無論是對(duì)具有振動(dòng)問題的機(jī)組，還是對(duì)希望提高其效率、但不增加其失穩(wěn)性的機(jī)組，都能找到解決的辦法。

3 結(jié)語

高壓和中壓所有各級(jí)均使用的汽封片，最終配置的汽封穩(wěn)定性裕度為100%。此穩(wěn)定性裕度已考慮到最壞的情況，也就是考慮到在汽輪機(jī)定期大修間隔期內(nèi)，刷子汽封受到磨損的情況。所謂100%的穩(wěn)定性裕度，就是說與原來的汽封配置相比，實(shí)際上提高了125 個(gè)百分點(diǎn)。