蔣啟東

一、前言

汽輪機正常運行時由于主軸穿出汽缸處，存在徑向間隙，在壓差作用下，高壓端或高壓缸兩端汽缸內的蒸汽會向外泄漏，同時低壓端或低壓缸的兩側空氣會漏入汽缸。軸封漏汽不僅使機組汽耗增大、真空降低，而且易使汽輪機潤滑油中帶水，嚴重影響機組經(jīng)濟和安全運行。

10號機組是東方汽輪機廠生產的高中壓合缸、兩缸兩排氣、單軸、沖動式、凝汽式的 N300-16.7（170）-537/537-4型亞臨界汽輪機。為兩缸兩排汽型式，高中壓部分采用合缸結構。高中壓外缸前后是一個完整的汽封系統(tǒng)，本機組采用自密封系統(tǒng)密封高中壓缸內蒸汽，防止蒸汽向缸外泄漏，同時，也防止空氣沿軸端進入破壞汽輪機真空。高中壓外缸兩端部裝有軸封，內缸的進汽端裝有高中壓間汽封，都采用高低齒梳齒式汽封。2012年2月對10號機組高中壓缸進行了高中壓后端軸封、高中壓間軸封改造，將梳齒汽封改為雙齒尖側齒汽封。

1.梳齒汽封原理

梳齒汽封是由許多尖齒和兩齒之間的環(huán)形汽室組成，如圖1所示。汽封齒有高有低，正好和軸套上的高低臺階相對應，這種汽封又稱為曲徑汽封或迷宮汽封。

可把汽封看成是由許多狹小通道及相間的小室串聯(lián)而成的，從側面看去，即為許多環(huán)形孔口和環(huán)形汽室。蒸汽從高壓側流向低壓側。當蒸汽通過環(huán)形孔口時，由于通流面積變小，蒸汽流速增大，壓力降低，例如，流過圖1中的第一孔口時，壓力由 P0降到 P1，比焓值由ha=h0降為hb。當蒸汽進入環(huán)形汽室E時，通流面積突然變大，流速降低，汽流轉向，產生渦流，蒸汽流速近似降到零，但壓力P1不變，蒸汽原來具有的動能變成熱能，重新加到蒸汽中去。軸封中蒸汽的散熱量與汽流的總熱量相比很小，可以忽略，故蒸汽的比焓值應由hb恢復到he，即恢復到原來的數(shù)值h0，比熵值由Sb增大到Sc，如圖2所示。蒸汽依次通過各軸封片時都發(fā)生這樣的過程。由此可見各處壓力依次減小 p0＞p1＞p2＞…＞pZ，而 h0=ha=hC=he=…=hZ。

如果近似認為各軸封孔口的環(huán)形漏氣面積A1都相等，而且通過各孔口的蒸汽流量ΔG1相同，則各孔口均有ΔGl=PA1cxρx或ΔG1/PA1=cxρx=常數(shù)。式中ΔG1為蒸汽流量，P為蒸汽壓力，A1為軸封漏汽面積，cx為蒸汽流速，ρx為蒸汽密度。

蒸汽依次流過各軸封片時不斷膨脹，蒸汽密度ρx不斷減小，在ΔG1和A1不變的條件下，由式（3）可見蒸汽流速 cx必然逐漸增大。也就是說，任何一片軸封孔口的汽流速度必然比前一片孔口的流速大，而比下一片孔口的流速小。由于流速大時比焓降也大，故任何一片軸封孔口的比焓降必然比前一片孔口的比焓降大，而比下一片孔口的比焓降小，也就是圖2中所示的：ab＜cd＜ef＜...。曲線bdfh稱為等流量曲線，或稱芬諾曲線。

由ΔGl=PA1cxρx可知，為減少軸封漏汽量，可以減少漏汽面積A1，即減少漏汽間隙δ。但δ太小，會發(fā)生汽封齒與軸之間的摩擦，引起事故，故δ一般在0.35～0.5mm，汽封齒越多（超過臨界值就不行了），每個齒分擔的壓降就越小，這就是梳齒汽封能減少漏汽的原因。

2.雙齒尖側齒汽封原理

側齒式汽封與傳統(tǒng)汽封外形相同，是在傳統(tǒng)迷宮汽封基礎上采用特殊工藝使汽封齒的側面具有細小的側向齒（圖3）。這樣會產生熱力學效應和加大摩阻效應，杜絕透氣效應，使汽體在側齒迷宮腔里的渦流動能轉化為熱能的過程更徹底，密封效果可提高72%以上，側齒結構還可減少環(huán)內氣隙流動、減少對軸振的影響。為避免脹差異?？赡芤鸬母啐X軸向碰磨，其中高齒仍采用原有的單齒尖結構，齒寬與齒尖寬與原汽封相同；低齒改造為雙齒尖結構，齒寬1.5mm，齒尖寬0.25mm，同時在高低齒的一側加工1-2道橫齒，齒尖采用高效、低泄漏流量系數(shù)的尖齒，齒尖夾角為8°。

方程 Δqm=Ac/V，Δqm為蒸汽漏汽質量流量（ kg/s）；A 為軸封漏汽環(huán)形面積（m2）；c為蒸汽流速（m/s）；V為蒸汽比體積（m3/kg）。在環(huán)形面積不變的情況下，減少漏汽量的另一方法是降低蒸汽的流速c，蒸汽流過齒隙的流速越小，漏汽量也就越小。側齒汽封除具有迷宮汽封節(jié)流過程以外，另外還加上渦街阻汽過程。渦街阻汽過程是在汽室內部人為增加溝槽及障礙物，使蒸汽產生小渦流形成渦街。蒸汽進入汽封齒后面的汽室，產生具有動能的渦街并相互碰撞摩擦，使動能全部消耗轉化為熱能，蒸汽流速轉化為渦街流速，一方面使流出汽室的汽流速度最低，另一方面使外部高壓蒸汽進入汽室能力降低。這即是側齒汽封的主要工作原理，也是側齒汽封性能優(yōu)于梳齒汽封的原因（圖4）。

3.梳齒與雙齒尖側齒汽封對比分析

根據(jù)參考文獻1，采用側齒汽封漏汽量可減少28.39%，側齒汽封阻汽效果明顯。此外，采用雙齒尖側齒汽封的主要優(yōu)越性在于：①安全，同種材料，相同外型尺寸，屬于傳統(tǒng)迷宮汽封的改良。②新的內部結構設計理念，保持原迷宮汽封的穩(wěn)定可靠性。③側齒由特殊工藝在汽封體上加工而成，為一有機整體，安全可靠。④軸向空間有限，側齒汽封等于在相同的軸向空間內多加了幾道密封齒，氣流在腔室內的狀態(tài)呈紊流現(xiàn)象，起到很好的截流作用，能量轉換更徹底，密封效率更高。⑤傳統(tǒng)安裝方式，無需培訓。

二、改造前后效果對比

高壓后軸封汽封圈共有11圈，其中1#汽封套5圈，2#汽封套3圈，3#汽封套3圈；高中壓間軸封共有11圈，其中1#汽封套8圈，2#汽封套3圈；中壓后軸封8圈，其中1#汽封套5圈，2#汽封套3圈。共計30圈，改造成雙齒尖側齒汽封。

改造前，高中壓缸中壓后軸封向外漏汽嚴重，汽輪機潤滑油油中帶水現(xiàn)象也日趨嚴重，油中含水量達到8038mg/L，遠遠超過標準100mg/L，濾油機每天長期運行。雖然經(jīng)過多次對軸封壓力進行調整，對軸承座氣密性油擋進行氣壓調整，但效果不大。10號機260MW順序閥工況下試驗的熱耗率為8329.1kJ/（kW·h），經(jīng)過一類修正后的熱耗率為8476.3kJ/（kW·h），二類修正后的熱耗率為8520.8kJ/（kW·h）。260MW順序閥工況時測得高壓缸效率為80.19%。

改造后，化驗透平油含水58.74mg/L，低于標準100mg/L。10號機270MW順序閥工況下試驗的熱耗率為8219.7kJ/（kW·h），經(jīng)過一類修正后的熱耗率為8366.9kJ/（kW·h），二類修正后的熱耗率為8367.7kJ/（kW·h）。260MW順序閥工況時測得高壓缸效率為84.42%。

改造后10號機組運行至今，所有指標均無變化，高壓缸效率比改造前提高了4.23%，熱耗率比改造前降低了153.1kJ/（kW·h），相當于降低供電煤耗2.86g/（kW·h），汽輪機油含水量指標一直合格。

1 劉網(wǎng)扣，張兆鶴.側齒汽封的研究與應用[C].大機組供熱改造與優(yōu)化運行技術2010年會.2010

W13.03-31