汽輪機轉子后移對機組軸封及其系統的影響

李少寧，肖東，陳志榮

（1.華電重工股份有限公司，北京 100070；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；3.雙良節能系統股份有限公司，江蘇 無錫 214444)

汽輪機轉子后移對機組軸封及其系統的影響

李少寧1，肖東2，陳志榮3

（1.華電重工股份有限公司，北京 100070；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；3.雙良節能系統股份有限公司，江蘇 無錫 214444)

汽封裝置密封性能的優劣，對汽輪機性能有相當大的影響。本文針對xx電廠1號機組，通過熱力系統簡捷計算，分析因轉子后移機組前軸封及其系統的影響所造成的機組效率下降的原因，對于指導同類型機組汽封系統的檢修及機組節能降耗有十分重要的意義。

轉子后移；軸封系統；機組效率

汽封裝置密封性能的優劣，對汽輪機性能有相當大的影響。對汽封流場的要求是腔室內的湍流度越強密封效果越好。在汽封腔內，應使汽流的動能盡可能多地轉化為熱能，使殘留的速度減少到最小限度，以提高封汽效果。

為了達到這一目的，可采取下述措施：增加兩相鄰梳齒間的距離；在汽腔室中使汽流多次拐彎碰撞，增加蒸汽與汽封齒和腔室表面的磨擦損失等。

研究發現，齒形汽封的齒數對軸封漏汽量也有很大的影響。根據國內外所進行的試驗得出：齒間距一定時，齒數越多，泄漏量越少。

本文提出機組前軸封高壓側30片汽封齒只有15片有著汽封的作用，主要原因如下。

（1）機組投產時間長，汽封環變形嚴重。

（2）軸上汽封片是由不銹鋼片鋃裝的，容易產生形變。

（3）機組在出廠時，汽封套定位有誤。

以上三種原因使汽封環上汽封片與軸上汽封片距離極小。汽封環上汽封片與軸上汽封片一側接觸較近，兩只汽封片幾乎重合，使形成的汽封腔室數量減半，機組前軸封泄漏量增大。

1 轉子后移對前軸封的影響及漏汽量的計算

1.1 機組軸封系統

該機組前軸封如圖1所示由三組汽封瓦組成，每組有三列汽封環，沿漏汽方向從高壓往低壓數，第一、二汽封瓦間的汽室通往背壓排汽管，第二、三汽封瓦間的汽室通往軸封加熱器。第三組汽封瓦的第二、三列汽封環間的汽室通往軸封報信管。

后軸封由兩組汽封瓦組成，每組有兩列汽封環，兩個汽封瓦間的汽室通往軸封加熱器，最末一組汽封瓦的兩列汽封環間的汽室通往低壓軸封報信管，以監視軸封漏汽情況。

圖1 轉子前軸封（高壓側第一組）

汽封瓦由灰口鑄鐵鑄成，汽封環由45號鋼制成，在汽封環及軸套上鑲有厚0.3mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼片。

1.2 轉子后移的影響及漏汽量的計算

軸封孔口流量系數μ1與軸封齒的形狀及幾何參數有關，軸封齒在進汽側應保持尖銳邊緣，此時流量系數較小。但在實際運行中，軸封齒尖銳邊緣會因摩擦而鈍化，流量系數會增大趨近于1，流動情況接近于噴嘴。

該機組前軸封為平齒光軸軸封，汽封齒采用0.2mm厚的不銹鋼片制成鋃裝在汽封環和汽封套筒上，它允許主軸在受熱后有較大的軸向位移。但由于流過前一片孔口的蒸汽流速在小室中不能全部消失，蒸汽進入下一片孔口前仍具有一定的初速，故漏汽量增大。該種軸封的封汽效果不及高低齒曲徑軸封。

在通常采用的軸封孔口間隙范圍0.4～0.6mm內，曲徑軸封流量系數接近于1，而光軸軸封流量系數要比曲徑軸封流量系數高出20%～35%。

在計算平齒軸封漏汽量時，要在計算曲徑軸封漏汽量結果的基礎上，乘上修正系數K1。

在軸封內蒸汽從高壓側流向低壓側，當蒸汽通過環形孔口時，由于通流面積變小，蒸汽流速增大，壓力降低。當蒸汽進入環狀汽室時，通流面積突然變大，流速降低，汽流轉向，產生渦流，蒸汽流速近似到零，壓力不變，蒸汽原來具有的動能變成熱能。當軸封最后一片孔口的壓差足夠大時，汽流速度可達臨界速度，此時該軸封的漏汽量達到最大值。

機組前軸封第一段（高壓側）的實際情況如圖1所示。汽封環上汽封片與軸上汽封片一側接觸較近，兩只汽封片幾乎重合，重合的汽封片間不能夠形成環狀汽室，漏出的蒸汽經過時，狀態不發生變化，可以近似認為30片汽封齒只有15片有著汽封的作用，造成這種情況有如下幾個原因。

（1）機組在出廠時，汽封套定位有誤，使汽封環上汽封片與軸上汽封片幾乎相碰。如圖1尺寸e=7mm，h=7mm；實測尺寸e=6.3mm，h=7.7mm。

（2）機組投產時間較長，3只汽封環變形嚴重。

（3）軸上汽封片是由不銹鋼片鋃裝于軸上，易產生形變。

在轉子后移位置，運行參數pz=1.1MPa、p0=2.2MPa。

以上各式中：0p——第一壓力級進口蒸汽壓力，MPa；

pz——第z壓力級進口蒸汽壓力，MPa；

z——軸封片數；

由上述不等式（3）可以得出轉子后移工況下最后一片軸封孔口處流速也未達臨界速度。通過環形孔口的漏汽量為：

式中：1GΔ——環形孔口的漏汽量，kg/s；——蒸汽的密度，kg/m3；

μ1K1——軸封流量系數，因進汽流量較大，μ1較大，取3.2；

A1——軸封孔口漏汽面積，m2。漏汽損失Δhp為 ：

式（5）中：phΔ——漏汽損失比焓，kJ/kg；

代入相關數據，1=ΔG1.63kg/s，=Δph14kJ/kg。由于軸向力增大，轉子后移，動靜汽封齒較為接近，所造成的漏汽損失增加=Δph14kJ/kg。這也是轉子后移對軸封及其系統的影響之一。

2 前軸封高壓側磨損工況分析

2.1 現象

2014年經過冬季大負荷后，該機組帶負荷能力急劇變差，進汽流量嚴重銳減。主汽壓在額定值，背壓在0.85MPa時，電負荷為1800kW，進汽流量35噸/小時，復速級壓力升至報警值2.25MPa，但軸串油壓無異常變化，較為平穩。2015年3月11日停機消缺，處理復速級壓力高問題。首先考慮調門芯是否有可能脫落，在停機前做增負荷試驗，機組進汽流量增大達到45噸/小時，電負荷幾乎不增，復速級壓力超過2.25MPa，調門芯不存在脫落問題。2015年4月6日停機揭缸消除缺陷，揭缸后發現以下問題：（1）轉子前軸封高壓側汽封齒全部磨禿；（2）級間隔板結合面有漏汽痕跡；（3）復速級第一列動葉積有鹽垢，其葉片出汽側有被硬物碰損痕跡。

2.2 轉子前軸封汽封齒及汽封環齒磨損情況

軸封齒磨禿的原因：本機組在正常的動靜間隙時，高壓端軸封高壓側汽封齒（向后）與其對應的汽封環上汽封齒相距0.40mm，在冬季大負荷期間，機組調速系統不穩定，進汽流量激增時，造成轉子上汽封齒與汽封環上汽封齒發生動靜碰磨，如圖2所示。

機組檢修處理過程如下：

（1）磨禿的汽封齒共30齒，鉗工用扁鏟逐齒剔除并鑲嵌，用了10天時間。

（2）噴嘴、動靜葉片均用砂布人工打磨，不能觸到的地方用酸進行清洗。

（3）轉子前移0.70 mm，保證動靜汽封齒不能相碰，轉子能夠自由落入下汽缸中。

2.3 前軸封第一組汽封被磨禿后漏汽量的計算

軸封漏汽面積An為：

式中：d2——汽封環內徑，189mm；

d1——前軸封處主軸直徑，185mm。

則nA=0.00149m2。如圖1所示，漏汽間隙 ：δ=2mm，蒸汽通過該間隙漏出的流量可近似為通過噴嘴的蒸汽流量。

蒸汽為過熱蒸汽，則漏汽量：

式中：1p—噴嘴后壓力（MPa）；1

ν——2.0MPa，365℃蒸汽（噴嘴后）的比容0.142（m3/kg）；機組在該工況下的背壓，MPa；

把上述數據代入公式（7）中可得 ΔG=3.49kg/s。由上述數據漏汽間隙僅為2mm，計算出的漏汽量ΔG =3.49kg/s，漏汽量相當大。

圖2 轉子前軸封高壓側汽封齒磨損部位及狀況

2.4 前軸封磨損對機組效率影響的計算

機組前軸封磨損工況熱力系統的熱經濟性指標如表1所示。

表1中：Nd——前軸封磨損工況發電機負荷，1700kW；

Ni——循環內功，

表1 前軸封磨損機組熱力系統的熱經濟指標

由上述數據可以看出：在前軸封高壓側磨損的工況下，機組的進汽量為35噸/小時，電負荷為1700kW，汽耗率為20.8kg/kWh。前軸封高壓側的漏汽量大小對機組循環內功有很大的影響。

由機組產品說明書可知：前軸封由三組汽封瓦組成，每組有三列汽封環，沿漏汽方向從高壓往低壓數，第一、二汽封瓦間的汽室通往背壓排汽管，第二、三汽封瓦間的汽室通往軸封加熱器。第三組汽封瓦的第二、三列汽封環間的汽室通往軸封報信管。

前軸封高壓側磨損汽流繞過葉輪直排至背壓排汽管導致機組熱效率相對降低為：

3 汽封間隙量調整對機組軸封及其系統的影響

從上述對前軸封漏汽量計算中可以看出，前軸封漏汽量較大，是造成機組循環效率低下的一個重要原因。

汽封間隙的測量調整工作是在軸系中心及隔板和軸端汽封套洼窩中心調整好之后進行的。測量汽封徑向間隙通常有兩種方法：一是貼膠布法；二是壓鉛絲法。兩種測量方法中，第二種要比第一種測量準確，而且比較真實。用壓鉛絲的方法測量汽封間隙時，下半部汽封接合面間隙情況可以通過塞尺測量，其它部位汽封間隙情況用規格不同的鉛絲粘放在汽封齒上，端部用膠布粘住，將汽封、汽封套就位，吊放轉子到工作位置，這樣鉛絲就被壓出一道道溝，吊出轉子，測量汽封溝痕剩余部分厚度，就是汽封對應間隙。測量完畢，對照質量標準進行調整。間隙偏大時，按相應的尺寸車汽封塊的背?。婚g隙偏小時，按相應的尺寸攆汽封塊的背弧。修刮完畢后，復測汽封間隙，往往發現和預想的結果差很多，有的甚至達到0.40mm。對于汽封間隙調整出現偏差，針對現行調整工藝需考慮貓爪熱膨脹對汽封間隙的影響；需考慮整圈汽封膨脹間隙的影響；需考慮運行中油膜對轉子中心位置的影響； 需施工人員工藝水平對調整造成的影響；需考慮汽缸、隔板套、汽封本身變形的影響。

汽輪機汽封間隙調整工作是一項重要而細致的工作，尤其是運行多年后檢修的機組，需考慮的影響因素更多一些，同時不同類型的機組，其影響因素也有所差別。上述提到的汽封調整方法必須在機組以后的大修工作中給予充分重視并應用，只有這樣去做才能提高汽輪機組熱效率從而達到節能降耗。

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