汽輪機隨動懸浮齒汽封的應用研究

湯國琪

（山西臨汾熱電有限公司，山西臨汾041000）

0 引言

某電廠2×300 MW機組采用哈爾濱汽輪機廠制造的CZK250/N300-16.7/538/538型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷、供熱凝汽式汽輪機。隨著機組運行時間的增長，由于汽封彈簧失效、汽封磨損等造成汽輪機汽缸效率低、熱耗大[1]。為提高機組運行的經濟性，對1號機實施了汽輪機隨動懸浮齒汽封的改造。

1 隨動懸浮齒汽封技術

1.1 工作原理

隨動懸浮齒汽封把原來的汽封齒化整為零，變成一個個小齒，每個小齒能夠獨立動作，比原汽封齒高0.3～0.5 mm，彌補動靜之間被人為放大的“安全”間隙。小齒根部呈懸浮設計，受力即可后退，輕觸于旋轉軸上，對軸的摩擦力可忽略不計；懸浮齒可以微量擺動，消除軸旋轉對齒的沖擊影響，保證齒和軸無硬摩擦。

1.2 結構形式

懸浮齒采用耐高溫彈性材料，工作溫度可達800℃，齒厚按工況要求在0.18～0.2 mm之間，齒寬4～8 mm。齒片熱傳導性好，輕觸時熱量散發快。懸浮齒連體式設計有護齒結構，保證小齒工作時不脫落，激光焊接和鉚焊兩種加工工藝相結合，確保使用的結構強度。

為方便汽封間隙檢測[2]，隨動懸浮齒汽封在出廠前都裝有齒片壓條，即懸浮齒片被壓條頂起，因此可按常規梳齒汽封的間隙檢測方式進行。待該汽封調整合格后（包括膨脹間隙），將每塊汽封塊上的壓條抽出，恢復懸浮齒片的正常間隙。圖1為隨動懸浮齒汽封結構圖，圖1中A間隙為壓條抽出前間隙，B間隙為壓條抽出后間隙。

圖1 隨動懸浮齒汽封結構圖

1.3 技術特點

a）密封間隙小，安裝時可按0.05～0.1 mm間隙調整，汽輪機正常運行研配間隙可以更小，小間隙是保證提高密封能力的主要因素。

b）隨動懸浮齒結構精巧，所占空間5×7 mm，不影響汽封整體強度。對應軸端、隔板及過橋汽封，如果汽封體結構適合，可增加隨動懸浮齒2～3道，多道小間隙密封齒帶來更好的密封效果。

c）隨動懸浮齒每個小齒都能獨立退讓，動作靈活，輕輕一按就會后退，齒尖輕貼在轉軸上，對軸壓力很小，可忽略不計，主要因為齒根和轉子軸向水平，對轉軸沒有正向壓力。

d）受到轉軸壓力退讓，隨轉軸旋轉徑向傾倒時受護齒結構控制，只能向下運動，躲開轉軸；小齒微微側傾即離開轉軸，還沒碰到小齒即失去受力，所以不會塞夾在一起。

e）小齒受轉子壓力，無拉力，輕微受力即后退側傾，不會脫落。小齒設計時根據受力特點，彈性變形點加強，齒根受力點加強，既保證彈性靈活又不失強度。

f）小齒采用耐溫800℃以上的特種高溫變形合金，退火溫度1 100℃，工作溫度為-200～700℃時有較強的抗蠕變特性，轉子旋轉碰摩小齒，不會脫落影響密封。

g）小齒片屬微動退讓，與轉子振幅同步，所需彈力非長期受力所需的屈服彈力，所以保持微小彈力即可正常工作。

h）齒片采用耐高溫變形合金材料，工作耐溫達800℃，此種材料耐熱抗振性好，高溫狀態保持彈力能力強，即使長期高溫其彈性衰變，其殘余彈力也可滿足小齒微動所需。

i）小齒迎汽側有護齒保護，受護齒結構影響，側傾角度受限，與護齒及后面高齒間隙0.1 mm，受沖刷時不會扭曲，保證齒片排列整齊不影響密封。

j）隨動懸浮齒汽封把原來整圈汽封齒化整為零，分割成一個個小齒，整塊汽封對軸的壓力被每個小齒分解，相對摩擦力小；普通汽封是整體結構，汽封對軸的壓力容易集中在某個點上，單點壓力非常大，摩擦力亦會很大，對轉軸影響非常大。

1.4 應用部位

高中低壓軸端汽封；高中壓葉頂、隔板汽封；高中壓側、高壓排汽側平衡活塞汽封。

2 改造方案及工期

2.1 改造方案

1號機組上一次A級檢修進行了布萊登汽封改造，對高、中壓缸的2道軸端汽封、中壓缸8道隔板汽封、高中壓側及高排10道平衡活塞汽封共20道汽封進行了布萊登汽封改造；對高壓缸噴嘴阻汽片5道、高壓缸隔板阻汽片48道、低壓缸葉頂正反末級及次末級阻汽片各6道共65道阻汽片進行了拆除、更換。由于布萊登汽封的彈簧形式做了本質的改變，所以本次A級檢修前通過調研論證，擬采用隨動懸浮齒汽封改造。考慮到機組高壓軸端蒸汽壓力較大，在汽封的隨動懸浮齒設計時重點對高壓軸端后部1、2圈汽封設計了3道懸浮齒。

本次1號機A級檢修揭缸檢修過程中采用隨動懸浮齒汽封技術分別對高、中、低壓缸的16道軸端汽封、高壓缸2～11級隔板10道汽封、高中壓側及高排9道平衡環汽封共35道汽封圈進行改造；對高壓葉頂、中壓葉頂汽封33圈梳齒汽封進行加寬加齒設計改造；對高壓噴嘴、中壓隔板1～12級、低壓葉頂正反4～5級的68道阻汽片進行拆除、鑲嵌，改造更新，并對汽封間隙進行優化調整，經全實缸驗收。

2.2 改造工期

項目設計、設備制造工期50 d，其中通流汽封改造設計20 d，改造阻汽片制造30 d。現場改造工期需45 d，其中停機冷卻及揭缸、修前測量15 d，阻汽片拆除及鑲嵌安裝、加工損壞汽封圈15 d，高中低壓缸汽封間隙調整、全實缸驗收15 d。

3 啟動方案

汽輪機隨動懸浮汽封齒片間隙較小，汽輪機啟動時需要耐心磨檢，要按步驟先研磨出合理間隙，達到規定轉速穩定運行后再過臨界，實現啟機過程平穩可控。

a）隨動懸浮齒汽封軸封0～0.1 mm間隙，缸內間隙比普通汽封小，因軸封密封蒸汽流動量小，轉子膨脹需要一定時間，故需要充分暖機。

b）啟動前調出1、2瓦X、Y方向軸振及轉子偏心值曲線，以便于監控。

c）沖轉前，連續盤車時間必須在4 h以上。機組轉速、偏心、軸向位移、脹差、振動保護等表計顯示正確，并正常投入。

d）汽輪機沖轉，目標轉速200 r/min，升速率20 r/min。汽輪機轉速大于3 r/min，若盤車裝置未自動脫扣，應打閘停機，查明故障原因，排除故障后方可重新沖轉。

e）機組轉速升至200 r/min時，磨檢30 min。檢查機組偏心、振動正常后，分別提升轉速至300 r/min、400 r/min、500 r/min、600 r/min，機組轉速在600 r/min磨檢時間不低于1 h。

f）機組轉速升至1 100 r/min時，磨檢1 h。磨檢完成后，確認機組振動正常，不再上升，初步具備過臨界條件，先降低轉速至800 r/min，穩定10 min，設定升速率100 r/min，再提速至1 100 r/min 1～2次；若機組振動不大幅度增加，振幅不超0.07 mm即可不降速，直接過臨界，目標轉速2 450 r/min。

g）低轉速時偏心較大或振幅波動較大不宜提速，提速時如果軸振上升明顯或接近0.1 mm即快速降低轉速。汽輪機沖轉后在軸系一階臨界轉速前，任一軸承出現0.03 mm振動或任一軸承處軸振超過0.12 mm，應立即打閘停機查找原因。

h）嚴密監視機組左右側膨脹、脹差、軸向位移、上下缸溫差，發現異常，應立即查明原因并處理。

i）機組轉速升至2 450 r/min，蒸汽溫度壓力提高，機組仍需充分暖機，暖機不低于2 h，嚴密監控機組振動，振動上升時就降低轉速至安全轉速，暖機后升速至3 000 r/min。

j）機組帶初始負荷時監控振動情況，只要平穩可控，慢慢升負荷，升負荷速率3 MW/min。機組負荷變化時轉子轉動軸心會發生變化，會有新的摩擦產生，可通過暖機消除。振動曲線如果有鋸齒樣波形即證明還有摩擦，只要振動不增加或降速振動較小，說明摩擦量很小，一般運行2 d后消除。

4 改造效果

a）通過對機組高中壓缸軸端汽封改造，可以充分利用隨動懸浮齒汽封的良好密封能力，加強前后軸端的密封效果，大大減少軸端的漏汽程度和漏汽量，減少非做功蒸汽的損失，相對提高蒸汽的做功能力。

b）通過對機組高中壓側平衡活塞汽封的隨動懸浮齒汽封改造，可以有效減少高中壓缸之間的漏汽，提高噴嘴的做功能力。

c）通過對機組低壓缸前后軸端汽封的改造，可以充分利用隨動懸浮齒汽封的良好密封能力，提高低壓軸端的密封效果，大大減輕空氣的漏入，對提高機組真空有良好的效果。

d）通過對汽輪機隨動懸浮齒汽封改造，高壓缸、中壓缸、低壓缸的效率分別提高了1.49%、0.8%、1.08%，機組熱耗降低125 kJ/（kW·h），供電煤耗降低4.81 g/（kW·h），改善了汽封的性能，機組軸振最大59 μm（1瓦X方向），振動良好。

5 結束語

汽封是汽輪機關鍵零部件之一，其性能的優劣，不僅影響機組的經濟性，而且影響機組的可靠性[3]。隨著高參數、單機功率的不斷提高以及機組頻繁的調峰運行，汽封的經濟性和安全性問題日益突出。隨動懸浮齒汽封具有結構設計簡單、性價比高、間隙補償性好、運行安全可靠等優點，采用隨動懸浮齒汽封技術，經實際應用，取得了顯著的節能效果，具有良好的應用及推廣前景。