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汽轮机汽封改造可行性研究报告汽封改造可行性研究报告批准：审核：会签：编写：目 录1绪论. 1.1汽轮机汽封及对汽轮机安全经济运行的影响. 1.1.1传统汽封结构及存在问题. 1.1.2汽封系统. 1.2汽轮机汽封的研究及发展应用现状. 1.2.1研究应用新型汽封的意义.:. 1.2.2汽轮机汽封改造的国内外现状. 1.3本可研性报告研究背景及主要工作. 1.3.1可研性报告研究背景. 1.3.2本报告研究的主要工作. . 2传统汽封和新型汽封的结构及工作机理. 2.1传统汽封的结构及工作原理. 2.1.1传统汽封的结构. . 2.1.2传统汽封（迷宫汽封）的工作原理. 2.1.3迷宫汽封的特点. 2.1.4迷宫汽封分类. 2.2布莱登汽封. 2.2.1布莱登汽封简介. 2.2.2布莱登汽封的原理. 2.2.3布莱登性能特点. 2.3侧齿汽封. 2.3.1侧齿汽封的结构及原理. 2.3.2侧齿汽封的性能特点. 2.4接触式汽封. 2.4.1接触式汽封的结构及原理. 2.4.2接触式汽封的性能特点. 2.5蜂窝式汽封. 2.5.1蜂窝式汽封的结构及原理. 2.5.2蜂窝式汽封的性能特点. 2.6铁素体汽封. 2.6.1铁素体汽封的结构及原理. 2.6.2铁素体汽封的性能特点. 2.7刷子汽封. 2.7.1刷子汽封的结构及原理. 2.7.2刷子汽封的性能特点. 2.8新型汽封的比较. 4同类型机组的汽封改造情况考察总结报告. 4.1云南华电昆明发电有限公司汽封改造实例. 4.1.1 汽轮机规范. 4.1.2汽封改造设备名称、规格（型号）及数量. 4.1.3汽机汽封改造试验结果及分析. 4.2大唐湘潭电厂汽封改造实例 4.2.1 汽轮机规范. 4.2.2汽封改造情况. 4.2.3汽机汽封改造试验结果及分析. 4.3淮北国安电力有限公司汽封改造实例. 4.4大唐珲春发电厂汽封改造实例及教训. 4.5安徽马鞍山万能达发电公司改造实例及建议. 4.6国内超临界及超超临界机组使用的汽封情况介绍. 6汽封改造中应注意的问题. 1. 绪论1.1汽轮机汽封及对汽轮机安全经济运行的影响汽轮机是高速旋转的大型、精密热功转换动力机械。在汽缸、隔板等静体与主轴、叶片等转体间必须预留一定的轴向和径向间隙，以免机组在工作时动静部件发生碰摩。为了减小汽封间隙的漏汽，必须设置汽封装置，在保证不发生动静摩擦前提下，使汽封间隙处于标准范围内并趋向最小值。这样才能保证多级汽轮机各级和各缸之间减少漏汽损失，提高机组热效率。在汽轮机热功转换的各项损失中，汽封漏汽损失占有很大比重，对汽轮机的热功转换效率有重要影响。汽轮机出现一百多年来，其技术理论已日趋完善，在现有的汽轮机技术理论，制造工艺和应用材料基础上，大幅度提高汽轮机内效率是不现实的，但是通过减小汽轮机汽封与转子动静配合间隙达到减少漏汽的目的，是提高汽轮机运行效率主要途径，同时改造成本远低于通流改造，尤其现代大容量高参数的汽轮机，间隙漏汽对汽轮机效率的影响更大。以国产引进型MW300机组为例，高中压间汽封实际运行间隙均在0.8mm以上，根据实验测得的数据，仅通过这部分汽封漏汽所造成的漏汽损失就使机组热耗增加60kJ/kWh以上，折合标准煤2克以上。因此减少汽封间隙漏汽对汽轮机效率的提高至关重要。但是，汽轮机是高速旋转机械，在减少通流间隙漏汽（即汽封漏汽）的同时又要兼顾到机组动静碰磨的安全性。汽封是汽轮机动静部件之间的过渡部件，极易因汽封体故障而引起汽轮机动静部件之间直接摩擦碰撞，伤及汽轮机大轴，严重时造成大轴永久性弯曲的重大事故。尽管机组运行中启机不畅，甚至造成重大弯轴重大事故得原因可能是多方面的，但是结果所反映出来的根本原因是由于动静碰磨所造成的，事故反映出来的是动静间隙的问题。以MW200机组为例，80年代初期，弯轴现象时有发生，针对MW200机组的弯轴现象，90年原能源部下文要求电厂和将MW200机组前轴封部分汽封间隙调为11.2mm，以牺牲机组的经济性来保证安全性。汽封兼顾着安全、经济的双重责任，所以人们一直在探求新的汽封结构型式，以解决既能够大幅度提高密封性能、又能满足机组安全运行这一长期困扰汽机专业人员的两难问题。因此研究及推广应用高效、安全的汽轮机汽封，一直是汽轮机专家们追求的目标，也是各汽轮机制造商及各发电厂追求的目标。1.1.1传统汽封结构及存在问题 现代汽轮机中应用最普遍的汽封结构是曲径式汽封(又称迷宫汽封)。曲径式汽封按其齿形可分为平齿、高低齿和极树形等多种形式，其中平齿汽封的密封效果较差。按汽封齿的加工方法又可分为整体式或镶片式。在汽封环上直接车削出汽封齿的称为整体式汽封;由金属片镶嵌在汽封环或转子上而成的称为镶片式汽封。整体式汽封的汽封齿刚性好，但轴向尺寸较长，镶片式汽封则反之。镶片式汽封对工艺水平有一定要求，当镶嵌工艺较差时易倾倒或脱落。各种传统汽封结构如图1.1所示。 梳齿式迷宫汽封(见图1.2)的密封原理是齿与转子间形成的一系列节流间隙与膨胀空腔，使通过的工作介质产生节流与热力学效应而达到密封的效果。由于梳齿本身的结构缺陷，故其泄漏量是很大的，另外，运行中转子振动、变形等原因，更是造成了汽封体系的进一步被破坏，加剧泄漏，致使机组经济性较差，热耗值较高，严重的泄漏不仅造成了能源的浪费，而且蒸汽的外漏对油质也起到了破坏作用，影响机组的安全运行。 梳齿式迷宫汽封存在的问题: 1) 梳齿汽封密封效果不佳，汽封漏汽量比设计值增大，高中、低压缸效率降低，汽轮机热耗比设计值增加，内耗过大，能量损耗严重，汽缸效率低。 2) 梳齿汽封经常遭到碰磨并引发振动。在机组启动中，特别是冷态启动过程中，过临界转速时振动加大，振动峰值时常超过跳闸值，严重影响了机组的正常启动。 3) 在运行中由于轴端汽封漏汽量逐渐增大，虽然经过多次对轴封压力进行调整，对轴承座油挡进行检修，但效果不大，轴承箱内进汽严重，汽轮机润滑油油中带水现象日趋严重，破坏了油质，使调节部套锈蚀，影响了机组安全。4)低压缸密封不严，引起空气的内漏，降低低压缸及凝气器的真空。5）汽封检修、更换工作量较大，每次的汽轮机大修工作中，都发现汽轮机的汽封有不同程度的磨损，新汽封更换工作量较大，既增加了检修成本，又影响着机组大修工期，最终影响机组的发电量。1.1.2汽封系统现代汽轮机的轴端汽封必须与相应的轴封供、回汽管路、阀门、轴封冷却器、轴封风机等设备一起构成自密封系统，才能保证在各种不同工况下实现减小漏汽，确保密封防止外界空气漏入，回收轴端漏汽的任务。汽轮机的汽封装置，一般采用高低齿曲径式结构或斜平齿结构，它是由许多依次排列的汽封齿和小汽室组成。利用较多的汽封齿与轴之间较小的间隙，组成一个个的小汽室，使一定压力的空气(蒸汽)，在这些汽室中逐级降低压力，阻止空气漏入汽缸内。为了不使汽封齿与轴发生碰磨，这种结构的汽封间隙不可能做的很小，即为间隙汽封，这就不可避免会泄漏。为此在设计时除了考虑汽封的结构外，还配置了汽封供汽系统，以达到减少漏空量的目的。从供汽箱来的蒸汽进入汽封套的中段并分为2路，一路被吸入排汽缸;另一路溢出到汽封排汽系统，即用蒸汽的漏入与漏出阻止空气的漏入。但在实际运行中，这股汽封供汽压力很难调得合适，供汽压力大了蒸汽漏到汽封体外，造成浪费或进入相邻的轴承室内污染润滑油;供汽压力小时就会发生漏气。虽然在汽封供汽系统中，设置了压力调节装置，但其调节的依据只是以调节阀后.的压力为参考，不能满足不同部位汽封的需要，所以很难保证汽封不漏空。图1.3为300MW汽轮机的汽封系统。 300MW汽轮机的汽封系统由轴端汽封、轴封供汽母管及压力调节阀、温度调节阀及减温器、轴封冷却器和轴封风机等组成。1.2汽轮机汽封的研究及发展应用现状1.2.1研究应用新型汽封的意义由于电力市场的竞争日趋激烈，发电原煤成本的不断上涨，迫使各电厂积极推行各种技术改造来降低煤耗。目前由于机组较老、机组结构落后、亚临界机组容量偏少、机组调峰幅度大等因素影响，机组效率低、发电煤耗较高。机组参与电力市场竞争力下降，面临大面积亏损和逐步被市场淘汰的危险。我国电力行业发电煤耗高的原因很多，从宏观上讲火电厂的总体结构落后，我国大容量、超临界的机组偏少，超临界的机组的应用已有四十年左右的历史，各工业化国家的火电厂已广为引用，其中美国、原苏联和日本，超临界的机组也早已问世，取得了显著的节能和减少投资效果。国外超临界机组的净效率在41 %-45%之间，这个效率是亚临界机组所不能比的。因此，在现在超临界机组比例依然还很少的中国电力工业，整体煤耗较国际水平偏高就不难理解了。2004年我国燃煤发电机组的标准供电煤耗为361克/千瓦时，与世界先进水平相差50至60克/千瓦时。300MW发电机组作为中国燃煤火力发电厂的主力，其煤耗比进口机组多30克/千瓦时(如表1.1)。表1.1各种机组供电煤耗比较 从微观上讲，发电煤耗高的重要原因有两个，一个原因是锅炉的炉效偏低，仅在89%左右，比国际先进水平低1.2%。煤耗高另一重要原因是汽轮机热耗偏高，国内有关专家对28台300MW机组的实验统计表明，国产汽轮机组的实际运行热耗较国外同型机组高4.8%，而比本机组的设计值高3.6%。大量热力实验数据分析表明，由于汽轮机高压部分内效率较低时机组热耗上升2.4%;低压部分的内效率影响热耗1.2%。 汽轮机热耗偏高的重要原因之一，是传统汽封的漏汽量大，且运行安全可靠性低。国外有关专家通过研究发现，通常汽封损失增大值是汽轮机总损失的70%,可见，汽封磨损是导致汽轮机运行中效率下降的一个主要原因。同时，国家对发电企业的节能减排的要求标准越来越严，为了响应国家提出的节能减排要求，对传统汽封进行改造研究，对提高汽轮机的安全性和经济性十分重要，符合国家提出的对节约能源和确保机组安全高效运行的要求。为此，近年来随着各种新型高效可靠汽封的出现，各电厂开始通过汽封结构改造来降低煤耗，收到良好成效。1.2.2汽轮机汽封改造的国内外现状漏汽是导致汽轮机效率降低的主要原因，尽管定期检测和维护可减少问题的出现，但是采用新型汽封设计和其他改造技术更能提高系统的防漏能力。因此，早在20世纪90年代，国内就开始有电厂采用新型高效汽封改造汽轮机密封系统。迄今为止，国内各大集团各电厂各型号机组的密封系统均有成功改造的报告，积累了大量经验，并且日益受到电厂的重视。在美国、英国、加拿大、荷兰等先进工业国家，已有共计300台以上25-600MW机组采用了可调式汽封，其中60台以上已在运行数年后作了汽轮机开缸检查，效果都是肯定的。国外如西门子公司、GE公司等针对大部分电力工业企业不愿建设新电厂的情况，调整了火力发电部。调整后，公司将发展重点放在对美国老电厂的改造和服务上，其中密封系统改造是重点关注的领域。西门子公司在加利福尼亚的圣迭哥煤气与电力公司的电厂低压汽缸改造中成功地使用了用于级间密封的特制双齿汽封，即在叶片的围带上加工出动叶汽封，在正对静子表面的汽封嵌入可更新的汽封齿，同时静叶上也使用该汽封。寻求更为合理的汽封结构和更佳的阻汽效果，一直是国内外汽轮机专家们探索追求的目标。近年来，国内外相继发明了几种优于传统背撑弹簧梳齿式汽封的汽封结构，如由美国布莱登(BLANDON)公司设计的可调式汽封、 的蜂窝式汽封和铁素体汽封、哈尔滨通能公司的“王常春一接触式汽封”、大连华鸿公司的TK侧齿迷宫汽封等，这些不同的汽封型式相继被应用在国内各种型号汽轮机的技术改造中，大大提高了汽轮机运行的安全性和经济性，各电厂由此而获得极大的经济效益。如国内许多电厂改造了布莱登汽封。布莱登汽封和传统汽封相比，机组启动前汽封处于张开状态，汽封间隙比较大，对机组启动阶段避免因转子临时弯曲引起的振动比较有利;机组接带负荷后随主汽流量的增加布莱登汽封能逐级自动关闭，使机组在正常运行中保持较小的汽封间隙，减少汽封漏汽量，提高汽机内效率。许多电厂通过对布莱登汽封原理、结构的分析，认为用布莱登汽封替换传统汽封从安全性、经济性上是可行的。部分国产引进型300MW汽机机组（如浙江嘉兴电厂#1机组、山东石横电厂#3机组、吉林双辽电厂#2机组、江苏利港#4机组、沙角B电厂#2机组、甘肃靖远电厂#6机组等）改造了布莱登汽封后实测汽轮机漏汽量大幅减少、热耗大幅下降、平均煤耗下降了2.0g/kw.h以上。国内还有许多电厂采用东方汽轮机厂的铁素体汽封对汽轮机组进行了改造，大大提高了汽轮机运行的安全性和经济性。还有部分电厂采用大连华鸿公司的TK侧齿迷宫汽封对汽轮机轴端汽封进行了改造，减少端部汽封漏汽，杜绝汽轮机润滑油油中带水现象，提高低压缸及凝气器的真空，消除机组运行安全隐患。但国内也有许多电厂因汽封改造不成功而发生了机组的不安全事故，如国内有些电厂改蜂窝汽封后出现了机组严重碰磨现象，导致机组损坏和无法启动，影响很大。因此在汽封改造时必须认真考察和慎重考虑，确保汽封改造获得成功，提高了汽轮机运行的安全性和经济性，使电厂获得极大的经济效益。1.3.2本报告研究的主要工作1）对我厂汽轮机汽封及系统运行现状的研究分析。以我电厂汽轮机为研究对象，分析传统汽封磨损、造成蒸汽漏汽量增大的原因，分析由此而带来的经济性下降和安全可靠性下降情况。2）调查研究各类新型汽封(如布莱登、蜂窝、接触式、侧齿迷宫等汽封)结构及工业应用的特性、安全经济性及效果。通过调查研究各类新型汽封，对国内外汽封改造情况的调查研究，收集国内外电厂汽封改造使用的总结报告，到已改造成功的电厂现场考察汽封改造前后的实际情况，为本电厂汽轮机汽封及系统的改造提供优选方案。3）对调研情况总结分析，讨论确立可行性研究报告，提出我电厂汽轮机选用新型汽封代替传统汽封的技术改造建议。2传统汽封和新型汽封的结构及工作机理汽轮机运转时，转动部分同静止部分之间留有适当的间隙，才能保证动、静部分不致发生磨擦.汽封就是保证动、静部分有适当间隙，同时又能防止蒸汽从动、静部分间隙泄漏，或者空气从轴端漏入汽缸真空部分的一种设备。汽封按其安装位置的不同，可分为轴端汽封、隔板汽封、围带汽封等。在转子穿过汽缸端部处设置的汽封称为轴端汽封，轴端汽封又按它装在转子的前端还是后端分为前汽封和后汽封。当汽缸内汽室压力大于大气压力时，轴端汽封可以防止蒸汽通过动、静部分间隙向外泄漏。当汽缸内压力低于大气压力时，例如低压红的排汽缸，在其轴端汽封内引入具有适当压力的蒸汽以阻止空气由外部漏入排汽室，使排汽室内保持真空状态。在转子穿过隔板中心孔的地方安装的汽封称为隔板汽封，隔板前的蒸汽压力大于隔板后的蒸汽压力，隔板汽封的作用就是防止隔板前的蒸汽通过隔板与主抽间的间隙泄漏到隔板后去，因为这种泄漏，不仅减少了通过隔板喷嘴的蒸汽量，使机组效率降低，同时又使该级叶轮前的蒸汽风力增大，叶轮前后压差增大，形成过大的轴向推力。安装在叶片围带与隔板挡汽环之间的汽封称为围带汽封，围带汽封的作用是防止蒸汽从叶片围带与隔板挡汽环之间的间隙泄漏。2.1传统汽封的结构及工作原理2.1.1传统汽封的结构 汽封一般由汽封套(或汽封体)、汽封环及二部分组成(如图2.1)。汽封套固定在汽缸上，内团有T形槽道(隔板汽封一般不用汽封套，在隔板体上直接车有T形楷);汽封环一般由6-8块汽封块组成，装在汽封套T形槽道内，并用弹簧片压住在汽封环的内圆，迫使汽封齿和转子保持最小间隙，有相互配合的梳齿及凹凸肩，形成蒸汽通道和膨胀室。轴封多采用高低齿汽封。由于齿数较多，而做成若干个汽封环，它们分别嵌装在轴封体内壁的环形槽道内，也采用弹性支承。汽封弧段3由两个弹簧片4压向转子中心.弹簧片应配准使任一块汽封弧段在用手加以40-60牛(约4-6公斤力)左右力时能压动之.这种弹性汽封，当汽封梳齿同转子发生摩擦碰撞时，弹簧片就保证了汽封弧段有弹性退让的可能，从而避免了事故的产生和扩大。同时，弹簧片也可以保证弧段与汽封体膨胀差得到补偿。汽封弧段的退让间隙为图2.3b)中C和0两者中的较小值。此退让间隙对于防止大轴弯曲事故是很重要的。带弹簧片的汽封弧段，在工作状态时其内弧受到蒸汽向外的压力，使汽封弧段与转子的间隙加大。为了平衡这个蒸汽压力，在汽封体的水平接合面处，于进汽侧对每个汽封圈都开有进汽通道7，见图2.3b).从此通道引入每圈汽封前的蒸汽，通入弧段背弧与汽封体T形槽的间隙中。这样，汽封弧段内外压力在启动和低负荷状态下就基本得到了平衡，而且应使T形槽中压向转子中心的压力要大些。高压前汽封弧段间接触处应调配至无间隙，但在整圈组装时，汽封弧段间整圈应留0.20毫米左右的膨胀间隙，以利弧段与汽封体的热膨胀。在汽封体的水平结合面处，装有止动块，以防止汽封弧段沿圆周方向的转动。汽封弧段和弹簧片安装在汽封体的T形槽中，而每个汽封体又分为上半部和下半部，二者用销钉和螺钉固定在一起。下半部汽封体两侧如图2.3(c)所示，设有搭子8，它们是用电焊和销子、螺钉固定在汽封套上，搭子应修挫得与汽封体水平接合面齐平，并比汽缸中分面低约0.05毫米.下汽封体靠搭子悬挂在汽缸凹槽两侧铣出的凹台上;其底部利用焊在汽缸凹槽内的定位键10同汽缸配合，定位键两侧间隙为0.04-0.06毫米，定位键顶部应有2-2.5毫米膨胀间隙。为使汽封体与汽缸凹槽同心，可以调整搭子下的垫片9，在必要时也可以调控定位键的位置。汽封体外圆与汽缸凹槽间应留有2.5毫米的径向膨胀间隙，汽封体与汽缸凹槽的轴向间隙E为0.05-0.10毫米，见图2.3(a)。(a)汽封总图;(b)汽封结构图;(c)汽封体结构图1, 2一汽封体;3一汽封弧段;4一弹簧片;5-膨胀器;6一汽缸;7一汽封体水平结合面处的平衡蒸汽通道;s一汽封体搭子;9-调整垫片;10-一定位键汽封弹簧片同汽封孤段的固定方式常见的有销钉固定、小厥限位和汽封弧段上铣凹槽固定等三种。销钉固定法是在弹簧片中部钻销孔，铆上销钉，再将带销钉的弹簧片插入汽封孤段上的销孔内，使二者相对固定，如图2.3(a)所示。在弹簧片上钻销钉孔，会引起应力集中，在高温作用下，常引起弹簧片从铝孔处断裂。因此，现在高压机组很少采用上述弹簧片固定方法。限位小厥固定法是在汽封体T形相中安置小厥，来防止形簧片沿圆周方向位移或相邻弹簧片重叠在一起。在组装对应注意将小厥封死，否则小厥一旦顶起汽封弧段将使汽封退让间隙减小。图2.3所示的弹簧片固定方法是使弹簧片中部带有凸缘，而在汽封弧段两侧开右凹槽，将弹簧片凸缘放人这个凹槽中，起到相对固定作用。隔板汽封常采用图2.3中所示的三种形式，有些低压级也采用a所示的平齿汽封。隔板汽封的汽封环装在隔板体内孔的环形槽道内，利用弹簧片作弹性支承。在隔板的进汽侧和出汽侧之间，蒸汽存在着压差，因而在转子穿过隔板内孔处，设置了隔板汽封。隔板汽封起着很重要的作用，一方面，它减少了汽流沿隔板内孔与主轴之向的缝隙泄漏，提高了热效率。另一方面，它可防止由于漏汽使叶轮前后的压差增大导致转子上的轴向推力增加，造成推力轴承的载荷加大。因此必须保持隔板汽封的合理间隙，以防发生推力轴承熔化事故。随着汽轮机内部蒸汽参数由前向后地逐渐降低，各级隔板汽封的工作条件也有很大的区别。高压部分隔板两侧的压差较大，蒸汽温度很高，低压部分则相反，沿汽流方向由前往后，各级隔板的压差和温度基本上是逐渐减小的。鉴于上述原因，高压部分隔板汽封的结构较复杂，须采用较多梳齿和耐高温材料，而低压部分隔板汽封结构较简单，梳齿较少，可不用耐高温材料。此外，由于低压部分转子可能有较大的胀差，所以，低压隔扳汽封的轴向间因应放大，有时甚至采用光轴和齿高相等的平齿式汽封。围带汽封常用镶片式平齿汽封，其汽封片直接镶嵌在隔板外缘的凸缘上，也可直接在围带上车出。为防止蒸汽在叶片顶端间隙中的泄漏，在叶片围带处安装了径向的围带汽封。同时，在叶片进汽侧顶部及根部安置了轴向汽封。即在通流部分轴向a, c间隙处。叶片顶部轴向汽封由围带端部车成的减薄边形成，如图2.4中a所示。叶根根部轴向汽封则往往采用在叶片进汽侧根部车出牙齿形汽封齿来达到，如图2.4中c所示。叶片进汽侧的轴向汽封都在叶片组装后再整圈车出。2.1.2传统汽封（迷宫汽封）的工作原理目前各种汽轮机的级间密封，几乎都毫无例外地选用迷宫密封结构。目的是防止轴端漏汽、级间漏汽，防止轴承箱油质乳化，提高热能有效利用和机组内部效率；同时保持动、静部分留有必要的间隙，防止动、静部分碰磨，使机组运行既经济又安全。图2.5为常见的迷宫汽封示意图。可把汽封看成是由许多狭小通道及相间的小室串联而成的，从侧面看去，即为许多环形孔口和环形汽室。蒸汽从高压侧流向低压侧。当蒸汽通过环形孔口时，由于通流面积变小，蒸汽流速增大，压力降低，例如，流过图2.5中的第一孔口时，压力由p0降到p1,比焙值由ha=h0降为hb。当蒸汽进入环形汽室E时，通流面积突然变大，流速降低，汽流转向，产生涡流，蒸汽流速近似降到零，但压力p1;不变，蒸汽原来具有的动能变成热能，重新加到蒸汽中去。轴封中蒸汽的散热量与汽流的总热量相比很小，可以忽略，故蒸汽的比焙值应由hb恢复到he，即恢复到原来的数值h0，比嫡值由Sb增大到Sc，如图2.6所示。蒸汽依次通过各轴封片时都发生这样的过程。由此可见：: p0P1P2pZ (2.1) h0=ha=hC=he=hZ (2.2)如果近似认为各轴封孔口的环形漏气面积A1都相等，而且通过各孔口的蒸汽流量G1相同，则各孔口均有 Gl= P A1 cx P x ( 2.3) 或GUPA1=cxPx=常数 蒸汽依次流过各轴封片时不断膨胀，蒸汽密度Px不断减小，在G1和A1不变的条件下，由式(2.3 )可见蒸汽流速cx必然逐渐增大。也就是说，任何一片轴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。由于流速大时比焙降也大，故任何一片轴封孔口的比烩降必然比前一片孔口的比焙降大，而比下一片孔口的比烩降小，也就是图2.6中所示的:abcdef.。曲线bdfh称为等流量曲线，或称芬诺曲线。图2.5 迷宫汽封示意图图2.6芬诺曲线当轴封最后一片孔口的压差足够大时，汽流速度可以达到与当地音速相等的临界速度，这时该轴封的漏汽量达到最大值，若把轴封的环形孔口看成是没有斜切部分的渐缩喷嘴，那么最后一片轴封孔口的汽流速度在任何情况下都不可能超过临界速度，在其前面的各轴封孔口处的汽流速度都只能小于临界速度。也就是说，对轴封而言，临界流速只能发生在最后一片轴封孔口处，这是因为等流量曲线上逆流方向各点对应的蒸汽绝对温度越来越高，而汽流速度越来越低。因此当最后一片轴封孔口处为临界速度时，前面各片轴封孔口处的汽流速度必然都小于临界速度。等流量曲线是轴封各环形孔口出口截面上蒸汽状态点的轨迹，不同的流量对应有不同的等流量曲线。轴封前后的压力改变或轴封间隙的改变均将使漏汽量改变，等流量曲线也将变成另一条曲线。这里应着重指出的是，h0线上各点为轴封环形汽室中蒸汽的状态点，而等流量曲线上各点为轴封环形孔口处蒸汽的状态点。减小轴封漏汽间隙s，可以减少漏汽，提高机组效率。但轴封间隙s又不能太小，一旦转子和静子受热或振动引起径向变形不一致时，汽封片与主轴发生摩擦，造成局部发热和变形。2.1.3迷宫汽封的特点1）迷宫汽封是非接触密封，无固相摩擦，不需润滑，适用于高温、高压、高速和大尺寸密封条件。2）迷宫汽封工作可靠，功耗少，维护简便，寿命长。3）迷宫汽封泄漏量较大。如增加迷宫级数，采取抽气辅助密封手段，可把泄漏量减小，但要做到完全不漏是困难的。 2.1.4迷宫汽封分类根据结构不同：可分为枞树形汽封和梳齿形汽封。1)枞树形汽封如图3-5所示，具有结构紧凑、富有弹性、效率高的优点，但其形状复杂，加工困难，造价太高，因而限制了其在电厂中的应用。2)梳齿形汽封又分为钢制整体汽封和镶嵌J形汽封，其结构如图3-6所示。a）钢制整体汽封分高低齿、平齿和斜平齿三种，高低齿阻汽效果好，但加工费时，一般用在高温、高压部分。平齿、斜平齿汽封一般用在低温低压部分或转子与汽缸相对膨胀较大的部位。b)镶嵌J形汽封阻汽效果好，制造成本低，且可使转子轴向长度缩短。但其刚性差，运行时受汽流冲力后易倒伏而失去阻汽作用，目前新投产机组已较少采用这种汽封，而采用钢制整体汽封。c)新型迷宫汽封。在现代汽轮机检修中，随着节能减排标准日益完备和要求的提高，机组的经济性和安全性尤为重要。汽机检修机组节能方面可以通过调整汽轮机汽封间隙，采用提高缸效以及热效的新型汽封的方式。很多制造厂家在传统迷宫汽封结构的基础上做了改良和设计，形成了新型迷宫汽封。2.2布莱登汽封2.2.1布莱登汽封简介布莱登可调式汽封是1989年由原美国通用公司汽轮机专家布莱登先生提出设计思想并设计，目前美国通用公司、西屋公司、日本三菱、东芝等公司均已采用，国内哈汽联合循环机组、上汽超临界60万等级机组在设计过程中采用，自1995年首阳山#2机组成功采用，十几年来国内已有近180台各类型、容量的机组采用了该技术，取得了很好的技术经济效果，许多机组已经历专项试验和揭缸检查，结果表明达到了预期效果，使机组运行安全性、经济性有效统一，并且技术经济效果持久。2.2.2布莱登汽封的结构及原理布莱登汽封弧段结构与传统汽封弧段基本相同，取消了传统汽封背部的板式弹簧，取而代之在汽封端部加装了4只螺旋弹簧，在汽封弧块进汽侧铣出进汽道，工作时通过汽封脖径出汽侧与汽封槽体的紧密结合形成密封腔室。见图2.7图2.7 自由状态下的布莱登汽封自由状态下，布莱登汽封在弹簧的张力下张开，远离转子，此时汽封与转子最大间隙值为：退让间隙汽封径向工作间隙 1.5mm-2.00mm；机组启机时，随着蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧块背部的蒸汽压力逐步增大（见图2.8）。当这一压力足以克服弹簧应力、摩擦阻力等时，汽封弧块开始逐级关闭，直至处于工作状态，并始终保持与转子的最小间隙值运行。停机时，随蒸汽流量的减小，在弹簧应力的作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转子的径向间隙达到最大值。我们知道，汽封与转子的碰磨是在机组启、停机过临界转速时发生的，对于布莱登汽封而言，而此时机组蒸汽流量小，汽封是处于张开状态，所以，布莱登汽封能够有效的避免与转子的碰磨。图2.8 作用于关闭力及开启力状态下的布莱登汽封2.2.3、性能特点：2.2.3.1、安全性a)主动安全：布莱登汽封的主动安全性体现在机组启停机过程中，汽封能够主动远离转子，避免与转子产生碰磨而使机组启停变得十分顺畅。b)被动安全：主要体现在机组事故状态下，能够有效避免事故进一步恶化。布莱登汽封是靠汽轮机缸体内蒸汽压力的作用而与转子保持较小间隙运行，当机组因突发事故，引起转子振动超标时，保护系统会立即跳闸，切断本体通流供汽，汽缸压力随即降低，布莱登汽封失去蒸汽的关闭压力，在弹簧应力的作用下张开，避免了与惰走转子的碰磨，从而避免了弯轴、报死等重大恶性事故的发生。c)减少轴封漏汽，消除机组运行安全隐患d)拟制转子摆动振幅，提高机组运行的稳定性2.2.3.2、经济性：a)提高整机效率增加机组出力；b)减少机组启动次数，降低启动成本；c).缩短大修工期和无需更换汽封备品。（1）优点： 在起停机时，汽封在弹簧的作用下迅速张开，导致通流间隙变大有效避开动静部分碰磨。 可调式汽封的核心技术是在传统梳齿的基础上在各汽封间加上一圈弹簧，在起停机时增大汽封间隙，保证起停机的顺畅，机组正常运行时，在汽压的作用下恢复正常的间隙值。（2）缺点： 冷态启动差胀大。根据该汽封工作原理，在启动和初始负荷阶段，汽封在弹簧作用下处于全开位置，此时间隙在最大值，汽封漏汽量最大，转子加热快，而汽缸加热跟不上易出现正差胀大。 汽封间隙偏小时，在机组运行中可能出现动静碰磨引发机组振动。 由于加工尺寸、弹簧质量和安装工艺等存在问题导致汽封在运行中关不住，导致机组效率严重下降。 因汽水品质差，或通流积垢严重，若经较长时间运行后，停机过程汽封不能打开，机组再次启动因较小而出现动静碰磨。对弹簧部位加工精度要求较高，不易保证正常工作时弹簧被压缩回零。 2.3侧齿汽封2.3.1侧齿汽封的结构及原理图2.9侧齿式汽封与传统汽封外形相同(图2.9)，应用在汽轮机上最擅长轴封及隔板位置密封。它是在传统迷宫汽封基础上采用特殊工艺使汽封齿的侧面具有细小的侧向齿(图2.10)，使腔室底部也增加底齿。这样会产生热力学效应和加大摩阻效应，杜绝透气效应，使汽体在侧齿迷宫腔里的涡流动能转化为热能彻底，密封效果提高72%以上，侧齿结构可减少环内气隙流动、减少对轴振的影响。图2.10由方程qm=Ac/v可知，在环形面积不变的情况下，减少漏汽量的另一方法是降低蒸汽的流速c，蒸汽流过齿隙的流速越小，漏汽量也就越小。侧齿汽封是在采用迷宫汽封节流过程以外，另外再加上涡街阻汽过程。涡街阻汽过程是在汽室内部人为增加沟槽及障碍物，使蒸汽产生小涡流形成涡街。该场中涡街不能自行产生，也不能自行消灭。蒸汽进入汽封齿后面的汽室，产生具有动能的涡街并相互碰撞摩擦，使动能全部消耗转化为热能，蒸汽流速转化为涡街流速，一方面使流出汽室的汽流速度最低，另一方面使外部高压蒸汽进入汽室能力降低。这是侧齿汽封的主要工作原理。也是侧齿汽封性能优于梳齿汽封的原因(图2.11)。图2.11侧齿汽封的结构如图所示，其侧齿远离汽封套台阶，安装与检修既能像梳齿汽封一样方便，同时又不会发生汽封齿与轴之间的摩擦。2.3.2侧齿汽封的性能特点优点： 最安全，同种材质，相同外型尺寸，属于传统迷宫汽封的改良。 不同内部结构的设计理念，保持原迷宫汽封的稳定可靠性。 侧齿乃特殊工艺在汽封体上加工而成，为一有机整体，安全可靠。 轴向空间有限，侧齿汽封等于在相同的轴向空间内多加了几道密封齿，气流在腔室内的状态呈紊流现象，起到非常好的截流作用，能量转换更为彻底，更有效提高密封效率。 传统安装方式，无需培训。缺点：叶顶除湿效果不及蜂窝汽封。2.4接触式汽封2.4.1接触式汽封的结构及原理该技术是受原炭精汽封、浮动式油档结构的启示，在原传统汽封齿侧中部加装非金属浮动环，背部仍采用板簧结构形式。（见图2.12）图2.12其设计意图是利用将浮动环与转子的径向工作间隙调整为0，以达到减少漏汽的目的。机组在实际运行过程中，尤其是过临界转速时，转子的跳动是较大的，而此时的转速又是较高，因此，其磨损是不可避免的。在机组初次安装后开始运行阶段，由于磨损小，会有一定的效果，但随着机组启停次数的增多，其磨损量逐步加大，其特征与传统汽封相同，因此也就失去了改造的意义。另外，该结构对安装要求高，如果在安装过程中控制不好，会造成机组启动困难、振动大、浮动环破裂，给机组的安全运行带来了不利影响。接触式汽封(图2.13)就是在原汽封或蜂窝汽封的中间镶嵌一种复合材料，后边用弹簧支撑，使其有退让的空间，机组在运行的时候，密封材料的密封面和被密封的大轴接触，起到密封的作用。后期又出现了接触式蜂窝汽封，在腔室内部焊接上蜂窝带，组合成蜂窝接触式汽封。图2.132.4.2接触式汽封的性能特点优点：汽封完全接触，全面起到阻流作用。2理论上接触汽封齿背部设有单独的弹簧系统能够实现自动跟踪、自动补偿作用，完全无间隙运行，密封效果好。缺点： 接触式汽封由于汽封齿与大轴接触，易引发机组振动。启机困难 浮环存在破裂隐患 背部弹簧失效后，导致汽封间隙变大，影响机组效率。运行一段时间后 复合材料容易严重变形（高温摩擦易导致热变形），导致汽封间隙变大。2.5蜂窝式汽封2.5.1蜂窝式汽封的结构及原理蜂窝密封的产生是由于蜂窝结构的刚性和材料的耐高温、柔韧性而应用在特定条件下，如：飞机发动机、大型汽轮机低压末级、次末级叶顶汽封（自由叶片）、以及对材料有特殊要求的燃气轮机机等。其结构如图2.14图2.14其结构特点：在原传统汽封的汽封齿部位采用蜂窝带，如果机组原汽封为长、短齿形式，则只将短齿部位采用蜂窝带代替，背部仍采用板簧结构。蜂窝材料（HastelloyX海斯特镍合金）原创是美国，由于蜂窝结构的刚性和材料的耐高温、柔韧性而应用在特定条件下，如：飞机发动机、大型汽轮机低压末级、次末级叶顶汽封（自由叶片）、以及对材料有特殊要求的燃机等。自80年代出现以来，世界尚无著名汽轮机制造商在大型火力发电汽轮机轴封上成功应用的范例，如果蜂窝材料在大型汽轮机轴封上封严效果比传统梳齿汽封更优越，20多年来，有足够的时间予以证明和推广普及应用。目前没有完善的理论和实践证明在大型火力发电汽轮机轴封处，采用蜂窝密封比传统梳齿密封封严效果更好根据理论分析及应用实践效果，蜂窝在低压缸末级、次末级叶顶部位，利用其蜂窝表面积大、对水的吸附作用强的特点，防止动叶的水侵蚀效果良好。但是对于在梳齿汽封中应用蜂窝材料密封来说，由于加装蜂窝带而取消了短齿，从而减小了蒸汽膨胀空间，使蒸汽从长齿间隙喷泄后直接进入到凸台间隙，由于泄漏蒸汽的动能没有在长齿和凸台之间有充足的空间充分转化为势能，从而使凸台间隙漏汽速度增加，增加了蒸汽泄露量。因此，对应于转子为“长城台”结构形式的梳齿汽封，取消短齿而加装蜂窝带的密封效果并不比原梳齿结构形式的汽封更佳。另外，在隔板及轴端部位，由于这些部位的汽封前后压差大、过临界转速时转子振动较大等原因，该结构没能较好解决机组启停机过程中由于振动大而造成汽封与转子的动静碰磨问题，虽然改造后初期有一定的效果，但随着机组启停次数的增多，其磨损量逐步加大，其特征与传统汽封相同，也就失去了改造的意义。同时，由于碰磨原因及蜂窝材料的特性，蜂窝边缘会出现“倒伏”，对于较小的蜂窝（目前在轴端及隔板部分机组尝试使用蜂窝边长为1.6mm的汽封），会使蜂窝“堵死”，造成蒸汽在流经环形孔口进入环形汽室后，由于环形汽室空间变小，蒸汽不能有效膨胀，反而使漏汽较改前有所增加。2.5.2蜂窝式汽封的性能特点（1）优点： 在原有汽封的基础上，只改变汽封的结构形式，其汽封间隙维持在机组设计值，可以有效的的减少汽封的泄漏量。 蜂窝汽封最适合叶顶处，特别是低压缸部分，能有效的吸附叶顶的水分。（2）缺点：由于蜂窝带与轴是宽面接触，若间隙不当，开机过程中发生碰磨时易引起机组振动，导致起不来机，间隙过大又导致效果不理想。 汽封运行一段时间后，蜂窝带窝孔积垢严重，会导致蜂窝失去作用。 使用寿命短，由于汽封蜂窝带结垢不易清理，给大修时修刮带来难度，使用寿命短。 另一个非常重要的技术问题是：在汽封背板上钎焊蜂窝带时，有一个从室温加热到1100左右，再冷却到室温的工艺过程，汽封背板肯定存在变形 变形严重则无法安装 如田家庵电厂图片蜂窝汽封目前应用厂家多，有取得使用效果的，但是也出现过事故。、吉林珲春电厂贵州安顺电厂都出现了应用蜂窝汽封导致大轴弯曲的事故 目前国内的生产厂家都推荐低压应用2.6铁素体汽封2.6.1铁素体汽封的结构及原理铁素体汽封的汽封齿为进口的铁素体不锈钢，它最大的优点是难以淬硬。实际上在汽轮机运行过程中由于振动、变形、管道推力、温差等原因会造成动静间隙发生变化，异常情况下甚至发生汽封与转子碰磨，每次碰磨时由于汽封圈的热容量小，因此它温度急剧升高，齿尖被磨掉及脱离动静磨擦后，在蒸汽的冷却作用下温度又急剧下降，相当于一次淬火过程。对于采用合金结构钢的整体汽封圈来讲，虽然出厂时它的硬度较低，但经过一次磨擦后它即被淬硬，当下次再发生磨擦时，不但会将转子磨损，而且会使摩擦时间延长，使转子发热变形，诱发更大的磨擦、振动，如果处理不当，甚至会造成转子变形，而铁素体材料具有难以淬硬的优点，因此即使发生动静磨擦，它的硬度基本保持出厂时的较低值，从而保护转子，减小磨擦时间，减小转子振动及转子变形的可能性。2.6.2铁素体汽封的性能特点（1）优点：属于传统迷宫汽封范畴，安全可靠性高。转子碰磨时难以淬硬，对转子、叶片损伤小，可以保留比较小的径向间隙。东汽近年投产的常规火电机组都采用铁素体汽封。（2）缺点：属于传统迷宫汽封范畴，适用于轴系振动小的机组。铁素体不锈钢的材料需进口，价格高，材质难以保证。2.7刷子汽封2.7.1刷子汽封的结构及原理刷式汽封主要有两种结构，如图2.15所示，一种将鬃毛组件与侧板焊接在一起见图（a），另一种将鬃毛包裹在一根金属丝上见图（b），然后夹紧固定在前后板之间的一个环形管内。刷式汽封的鬃毛径向向内伸展，将其末端加工以适合转子表面，为了适应转子的径向运动，鬃毛沿轴旋转方向布置成45，当受热时，鬃毛与转子表面轻微软接触，其弹性使其追踪转子的径向偏移，在下游侧，后板限制鬃毛因压力导致的挠曲；当冷态时，鬃毛的尖端刚离开转子并且其间隙恰好适合在运行中通过热膨胀和或压力闭合。转子与后板之间的间隙是确定刷式汽封承压能力的一个关键参数，此间隙需要尽量减小，但又以在任何运行条件下避免接触转子为准。图2.15刷式汽封理论上是可减少蒸汽的泄漏量，但通过减少现有间隙实际的密封效果因国内没有大面积使用，只在小机组上和燃机上有应用 。2.7.2刷子汽封的性能特点（1）优点：属于小间隙汽封，可以有效的的减少汽封的泄漏量。（2）缺点：由于间隙过小，开机过程中发生碰磨时易引起机组振动，导致起不来机。 刷子汽封在电厂的使用业绩较少，据了解北海电厂曾使用刷子汽封对小机进行改造，但效果不好。国内江西丰城电厂应用该汽封 启机遇到麻烦 磨间隙磨了一天以上 但效果不错 山东德洲电厂 东汽曾做配套