刷式汽封在節(jié)能改造中的應(yīng)用

李忠波，金 巖

(1.遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于主軸穿出汽缸處存在徑向間隙，在差壓的作用下，高壓端或高壓缸兩端汽缸內(nèi)的蒸汽向外泄漏，同時(shí)，低壓缸端或低壓缸兩端空氣漏入汽缸［1］，即發(fā)生汽封漏汽。汽封漏汽損失逐漸成為制約汽輪機(jī)效率的主要因素，汽封性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

刷式密封是近年發(fā)展起來的一種高效阻尼密封，是繼蜂窩汽封技術(shù)后發(fā)展起來的新型技術(shù)，其泄漏量是梳齒迷宮密封的1/5～1/10，并允許動(dòng)靜之間瞬態(tài)嚴(yán)重不同心以保持密封能力不變，既提高了機(jī)組效率，又改善了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。刷式密封一般用于動(dòng)靜件間的氣體介質(zhì)密封，在液體或粉塵等密封方面，效果也十分明顯。刷式密封的刷毛相對(duì)軸的旋轉(zhuǎn)方向按一定傾斜角度規(guī)則排列，以減少刷毛的磨損，使刷毛更容易適應(yīng)轉(zhuǎn)子的制造誤差和熱變形等，并在轉(zhuǎn)子瞬間大幅徑向位移后迅速彈回，保持密封間隙不變。

刷式密封的刷線主要為鈷基高溫合金，具有低脆性、高韌性、運(yùn)行過程中不易折斷的特點(diǎn)，而高性能的焊接工藝可保證刷絲不脫落，經(jīng)過精確計(jì)算設(shè)計(jì)的刷毛束厚度、高度保證了封嚴(yán)性，刷絲材料和涂層材料的合理組合保證了密封穩(wěn)定、安全的運(yùn)行［2］。

1 刷式汽封原理及優(yōu)點(diǎn)

刷式汽封是國內(nèi)研制較早的小間隙汽封，其汽封厚度達(dá)1 mm，是由直徑僅為0.05 mm的鋼絲組成，汽封安裝間隙為0.1 mm［3］。刷式密封是一種柔性密封，能適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間徑向變形或偏心運(yùn)動(dòng)，可做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙，同時(shí)由于增加了轉(zhuǎn)子振動(dòng)阻力，有利于改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

1.1 刷式密封原理

刷式汽封由上游環(huán)、下游環(huán)及夾裝在兩者之間緊密排列的刷毛組成，刷式汽封的結(jié)構(gòu)如圖1所示。刷毛是一束捆扎在一起的高密集度、高溫合金的細(xì)金屬絲，按一定方向排列的刷毛束被釬焊在左右兩側(cè)的圓環(huán)上，刷絲的自由端與軸表面接觸，致密的細(xì)金屬絲阻隔了工質(zhì)的泄漏通道。刷毛沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向有一定傾角，這樣刷毛通過柔性退讓能吸收轉(zhuǎn)子徑向偏移，且易恢復(fù)閉合狀態(tài)，以保證封嚴(yán)性。在短時(shí)期與軸過盈接觸后，不會(huì)像迷宮密封一樣，出現(xiàn)永久性的性能損失。

流體在刷絲中的流動(dòng)主要有同向流、射流、漩渦流和橫向流四種基本形式。由于刷子中刷絲間空隙的不均勻性作用，均勻來流進(jìn)入刷絲束中變得不均勻，且從緊密的刷絲束區(qū)域向疏松的刷絲束區(qū)域偏流，這些偏流在刷絲排之間逐漸形成同向流和射流，并產(chǎn)生隨機(jī)的二次流和旋渦流。刷毛在氣流作用下產(chǎn)生各種流動(dòng)，形成阻尼，消耗了汽體的能量，降低了汽體的溫度和壓力，起到了自密封效應(yīng)，從而達(dá)到減少汽體泄漏的目的［4］。

刷式密封的密封效果主要取決于刷絲的排列密度和后面板與軸頸之間的間隙。刷絲的排列密度在一定工作狀態(tài)下有一最佳值，太小了泄漏量增大，過于密集對(duì)密封性能也不利。后面板與軸頸的間隙應(yīng)盡可能小，以保證刷子具有足夠的剛度。

1.2 刷式汽封技術(shù)指標(biāo)

由于刷式汽封的密封性能主要取決于刷毛密度、刷毛與軸間隙、刷毛直徑和刷毛齒形。通常對(duì)刷式汽封技術(shù)指標(biāo)規(guī)定如下:刷絲為D0.08～0.15 mm的特種高溫鎳 (鈷)基合金;刷絲總厚度為0.6～2 mm，且80～120根/mm2;耐溫可達(dá)690℃以上;可承受的線速度超過305 m/s;刷絲焊接熔深為2.5～3 mm;汽封體材質(zhì)尺寸與原汽封相同;安裝間隙只需設(shè)計(jì)值的1/4～1/2;軸封和隔板間隙為0.1～0.3 mm;低壓葉頂間隙為 0.65～0.75 mm。

1.3 刷式汽封優(yōu)點(diǎn)

刷式汽封是一種柔性密封，可自適應(yīng)軸的瞬間跳動(dòng)，并能迅速恢復(fù)原狀，保持原有間隙，不會(huì)因過臨界或異常振動(dòng)等造成間隙永久變大;刷絲順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向按一定角度規(guī)則排列，在發(fā)生碰磨時(shí)可自動(dòng)退讓，不會(huì)刮傷轉(zhuǎn)子或增大機(jī)組振動(dòng)，能很好的保持機(jī)組安全性;刷環(huán)間隙比原硬齒間隙減少0.15～0.25 mm，可減少漏氣量，提高機(jī)組效率;刷環(huán)最大承壓能力可達(dá)2 MPa，在隔板、軸封、葉頂處均可使用;刷絲材質(zhì)為鈷基耐高溫合金，物理及化學(xué)性能優(yōu)良，熱力性能完全滿足汽輪機(jī)運(yùn)行環(huán)境要求，使用壽命較長。

刷式汽封能極大減少汽封的安裝間隙;能夠克服傳統(tǒng)密封在轉(zhuǎn)子偏心運(yùn)動(dòng)下造成的永久磨損，使泄漏量不斷增大;能夠提高機(jī)組效率 (1%～4%);能夠提高設(shè)備運(yùn)行的安全性;通過三缸及小機(jī)軸端改造，可杜絕油中進(jìn)水、低壓缸真空嚴(yán)密性差等現(xiàn)象。

2 刷式汽封應(yīng)用

某電廠2號(hào)汽輪機(jī)是由哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、雙缸、單軸、雙分流、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N350－16.7/538/538。該機(jī)組原有汽封均為曲徑 (梳齒)式，特點(diǎn)是利用依次排列的汽封齒與軸之間的間隙形成多個(gè)小汽室，使高壓蒸汽壓力在汽室中的壓力逐級(jí)遞減，達(dá)到減少蒸汽外漏的目的;轉(zhuǎn)子軸向間隙距離較小，且間隙不可調(diào)整;機(jī)組啟停時(shí)汽封齒易磨損，局部漏量增加［5］。

為提高機(jī)組效率、降低發(fā)電煤耗、節(jié)約能源，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了汽封改造。通常汽封改造應(yīng)用位置在汽輪機(jī)的軸端、隔板、葉頂、平衡盤等處，主要作用是防止蒸汽外漏或空氣進(jìn)入低壓缸，提高機(jī)組效率。

高壓進(jìn)汽平衡環(huán)、中壓進(jìn)汽平衡環(huán)、高壓排汽平衡環(huán)全部改成刷式汽封，共10圈，并按照新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整;對(duì)高中壓軸端汽封 (8圈)徑向間隙調(diào)整;對(duì)高壓內(nèi)缸阻汽片 (5圈)重新鑲裝，進(jìn)行調(diào)整;更換中壓第2、3、4、5、6、7、9級(jí)下隔板汽封;對(duì)汽封環(huán)及汽封環(huán)槽道進(jìn)行徹底清掃并調(diào)整間隙［6］。表1為汽封改造前后缸效率和熱效率的對(duì)比。

可見，汽封改造后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高。改造后機(jī)組熱耗率為8 042.6 kJ/kWh，比檢修前降低了104.3 kJ/kWh;檢修后高壓缸效率為84.32%，比檢修前提高了1.21個(gè)百分點(diǎn);中壓缸效率為91.08%，比檢修前提高了0.84個(gè)百分點(diǎn);通過影響系數(shù)法測(cè)得高壓缸向中壓缸漏量占再熱蒸汽份額由修前的3.96%降低到2.08%，通過汽封改造，中壓缸平衡盤漏量達(dá)到了較好水平。

表1 汽封改造前后缸效率和熱耗率對(duì)比

3 結(jié)束語

現(xiàn)代大型機(jī)組向高參數(shù)方向發(fā)展，因此對(duì)密封提出了更高的要求。高參數(shù)大容量機(jī)組，機(jī)組效率每提高1個(gè)百分點(diǎn)，就會(huì)有數(shù)百萬元的收益。建議對(duì)高、中壓軸端每段汽封都進(jìn)行改造，間隙調(diào)小可明顯減少漏汽，提高機(jī)組出力、改造隔板汽封以提升整機(jī)效率、降低能耗。對(duì)此，刷式汽封提供了一種減小汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙密封以提高效率、減少機(jī)組發(fā)電煤耗的有效方法。

［1］曲瑩軍，李 放.采用新型結(jié)構(gòu)汽封對(duì)軸封的改造 ［J］.東北電力技術(shù)，2006，27(3):27－29.

［2］張延峰.汽輪機(jī)改造技術(shù) ［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［3］李 敬，孟昭軍，張延峰.對(duì)汽封改革趨勢(shì)的綜合分析［J］.東北電力技術(shù)，2004，25(12):37－39.

［4］何立東，袁 新，伊 新.刷式密封研究的進(jìn)展 ［N］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，12.

［5］趙偉光，王鶯歌，王 輝，等.汽輪機(jī)通流部分采用可調(diào)式汽封實(shí)用效果評(píng)價(jià) ［J］.東北電力技術(shù)，2012，23(12):19－21.

［6］金 巖.遼寧東方發(fā)電有限公司2號(hào)汽輪機(jī)組A級(jí)檢修后熱力性能試驗(yàn)報(bào)告［R］.2013:1－2.