汽輪機密封技術分析

郭琦 黃晶華

摘? ?要：密封問題的設計研究對火力發電的主要設備汽輪機等透平機械的設計尤為重要，先進的轉子和靜子間的密封技術可顯著提高透平機械的工作效率和可靠性。文章基于專利文件對汽輪機密封技術進行了分析梳理。

關鍵詞：汽輪機;密封;迷宮;阻尼;刷式

汽輪機密封的技術研究主要是圍繞迷宮密封、阻尼密封和刷式密封展開。

1? ? 迷宮密封

盡管迷宮密封技術為傳統的密封技術，但由于具有結構簡單、成本低的特點，各國技術人員仍致力于繼續對迷宮密封作各種改進，使其既能減小泄露量，又能提高轉子的穩定性，以期能滿足現代汽輪機的使用要求。其改進方向主要分為以下幾個方面。

（1）通過改變高低齒的搭配方式及齒的形狀或方向來解決汽封結構密封效果差、汽封泄漏的汽流流動不穩定、轉子失穩等問題。相關專利有：CN2828324Y，即新型“田”字型迷宮式汽封，在汽封環周向的各軸向槽中鑲嵌適配的汽封薄片，并鉚接密封固定。CN2937484Y，即用于汽輪機低壓通流的對齒汽封，對齒汽封的轉子上鑲嵌有齒高相同的平齒，靜葉上的汽封齒也為齒高相同的平齒，動、靜部件上的汽封齒逐個相對;CN201953418U，即復合齒式汽封，包括汽封環，汽封環底部設置有高齒，其高齒上設置有軸向齒使得汽封環底部形成迷宮腔，汽封環底部設置有底齒;CN103075204A，即汽輪機后汽封裝置，汽封體凹槽內的第二密封環具有兩個汽封體阻汽環面，兩汽封體阻汽環面伸出汽封體且兩汽封體阻汽環面間形成夾角，第一、二密封環徑向間設有間隙;CN103277146A，即對稱式側齒汽封結構，汽封結構的汽封套筒上加工有第一對稱式側齒汽封齒，汽封環上加工有第二對稱式側齒汽封齒，第一對稱式側齒汽封齒與第二對稱式側齒汽封齒相對交叉設置。

（2）通過在齒中添加其他部件來降低振動，提高轉子穩定性。相關專利有：CN2789416Y，即反向旋流防汽輪機激振汽封裝置，在齒型迷宮汽封基礎上采用附加反向旋流技術形成防激振汽封裝置，其包括預旋導流片和壁面旋流槽。

（3）通過調整密封間隙裝置避免發生齒尖與軸摩擦的現象。相關專利有：CN101078440B，即用于可變間隙密封的方法和裝置，密封部包括齒，鳩尾形安裝部與挖空部通過偏壓件聯接，并且偏壓件與鳩尾槽的一對環形肩部相嚙合;CN201916006U，即鐵素體汽封，包括鐵素體汽封環，鐵素體汽封環中間沿圓周方向至少設置有一道溝槽，溝槽中設置有活動齒，活動齒后部裝有彈簧，彈簧通過螺釘固定于活動齒上;CN103375193A，即用于避免渦輪摩擦的定子密封件，其可磨損涂層和環形內表面具有預先限定的截面輪廓，截面輪廓包括便于軸向膨脹的瞬態操作區段和便于較緊間隙的穩態操作區段。

2? ? 阻尼密封

為了提高轉子的穩定性，目前主要途徑之一是發展“阻尼密封”技術，通過改變密封結構或靜子面的粗糙程度來改變密封的總體性能。阻尼密封主要有蜂窩阻尼密封。蜂窩密封是一種耐磨耗的先進密封結構，由蜂窩部分和支持部分組成，兩部分通過高溫真空釬焊工藝連接。在大多數情況下，蜂窩密封安裝在靜止部件上，如汽輪機的缸體、靜葉和隔板套上。蜂窩與轉動部件一起構成密封結構，主要結構型式是蜂窩—光滑面和蜂窩—迷宮齒兩種，分別應用于不同透平機械和密封位置及條件。

由于蜂窩密封六角形蜂窩芯格的阻尼作用，所以蜂窩密封又作蜂窩阻尼密封。蜂窩阻尼密封的蜂窩帶的材料質地較軟，具有可磨性，所以徑向間隙可以控制的比迷宮密封小，再加上其具有無數個蜂窩孔狀的芯格結構，與轉子接觸時是若干個點形成的面式接觸，具有可靠的安全性能。蜂窩阻尼密封能夠吸收流體動能而產生強烈的阻尼作用，可有效抑制汽封的自激振蕩，確保汽輪機發電機組軸系穩定安全運行。在阻尼密封中，與蜂窩密封相關的專利占多數，相關專利有：CN201284667Y，即新型汽輪機密封裝置，在轉子周壁外側的汽封體上裝有汽封環，在相接汽封環端面裝有螺旋彈簧，汽封環下端面設有汽封齒，汽封齒間裝有蜂窩狀密封帶;CN101476622A，即金屬指尖蜂窩密封。

3? ? 刷式密封

刷式密封是近年發展起來的一種高效阻尼密封，并允許動靜之間瞬態嚴重不同心而保持密封能力不變，既提高了機組效率又改善了轉子的穩定性，是現代先進透平機械發展的關鍵技術之一，GE、西門子等世界各大透平公司的技術創新與發展中，都把刷式密封技術研究作為其中的重要內容一。相關專利有：CN101144542B，即采用瓦片式柔性板部件的軸密封，軸密封包括以面對關系連接于定子的多個柔性板部件，每個柔性板部件包括多個瓦片式部件，相鄰的柔性板部件相對于彼此布置成使瓦片式部件在軸向泄漏方向上至少部分交錯;CN101375089A，即多級刷形密封裝置，其中所述刷形密封裝置包括多個刷子，所述刷子則分別具有多根刷毛;CN1936278B，即渦輪和渦輪機械的密封件，包括弧形的扇形體，該扇形體具有在一個或二個側面上以多個互相靠近和互相接觸的桿為側面的一個刷子密封件。墊片將該刷子密封件的硬毛與多排桿隔開。

4? ? 組合密封

組合密封是迷宮密封、阻尼密封（主要為蜂窩密封）與刷式密封之間相互組合的一種密封，為了能進一步減小泄漏，并提高轉子的穩定性。相關專利有：CN202866903U（刷式蜂窩汽封）、CN102261478A（迷宮式密封件）。

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