汽轮机汽封改造优化技术

汽轮机汽封改造优化技术

摘要：汽封是汽轮机正常高效运行的重要组成部分。科学的汽封设计不但能够降低漏气损失，而且能够确保汽轮机安全运行。因此，分析汽封漏气量的影响因素，探究汽轮机汽封改造优化技术，具有现实的理论意义和实践价值。

关键词：汽轮机汽封优化

梳齿迷宫式汽封是现代火力发电厂通常采用的汽轮机汽封形式，其又称之为曲径式汽封。电厂过去经常采用的迷宫式汽封是非接触式汽封。因为这种汽封不用润滑，可以自由热膨胀，不受转速限制，维修方便，所以广泛应用在燃气轮机、汽轮机等设备的级间与轴端。但是，梳齿迷宫式汽封难以完全杜绝泄露，受限于设备轴向长度，迷宫式汽封有着较大的泄漏量。因此，优化汽轮机汽封结构，降低泄露损失，将会有效地提高汽轮机的功率与效率，提高电厂的经济效益。

1 汽轮机汽封漏气量影响因素

1.1 汽封的齿数

相关研究表明汽封的齿数直接影响着轴封的漏气量。当齿间距保持不变，汽封的齿数越多，汽封的泄露量就越少。当齿数保持不变时，汽封的齿间距越大，汽封的泄漏量就越少。较大的齿间距代表着较大的空腔，空腔能够把齿隙转化的动能转耗为热能。空腔越大就越能降

低透气效应，从而降低泄漏量。从理论上而言，越多的汽封齿数，经过各个汽封齿间隙的漏气的压降就越小，也就是漏气越少。然而，随着气封齿数的增加，转子的长度与汽封段的长度都会随之增加。通常，增加一倍的轴封齿数，就会相应的增加一倍的轴封段长度，从而导致增大汽轮机转子的长度。为了确保汽轮机转子的临界转速保持在规定的范围内，就应当相应的增加轴的直径，这就相应的增加了汽封间隙环形面积，从而增加了蒸汽泄漏量。另一方面，增加转子长度，就相应的增加了气缸长度，降低了气缸的刚性。在启动汽轮机或运行汽轮机的过程中，不可避免地就增大了最小汽封间隙，从而增大了汽封漏气量。所以，增加的汽封齿数不是越多越好，齿数应当保持在合理的范围内。

1.2 汽封的间隙

如果蒸汽的压差和相关参数保持不变，要降低汽封的漏气量，就可以采取减少汽封齿隙的面积、增加汽封齿数的措施。但是，过小的汽封间隙将会导致转子和汽封产生碰擦，造成大轴振动、弯曲等事故。所以汽封间隙面积需要合理的确定。要减少汽封间隙，就应当确保各个部分之间不产生碰撞摩擦。汽封的结构因素决定着汽封的径向间隙。为了避免机组在临界转速式设备的动静部分不发生严重的磨损，需要科学地控制汽封间隙，与此同时还可以考虑采取弹性汽封的方式。较小转子跨度的汽轮机的汽封齿间隙约为0.5?mm，较大转子跨度的汽轮机的汽封齿间隙约为0.8?mm。

1.3 汽封齿的形状

汽封齿的形成在一定程度上影响着汽封泄漏量。选择汽封齿的形状时应当综合考虑轴向长度、汽封位置以及相关技术要求等多种因素。通常尖齿汽封有着较好的封汽效果，越薄的汽封齿尖，有着越好的节流效果，并且动静部分产生摩擦碰撞时有着相对较少的摩擦热和摩擦力。不过，汽封的齿尖也不可以太薄，太薄的汽封齿将会显著增加加工难度。另外，太薄的汽封齿容易被外力撞出豁口或发生变形。通常，汽封齿的齿尖处的厚度约为0.03?mm，汽封齿的齿身厚度大致处于0.6～0.12?mm的区间内，这样能够使整个汽封齿有着较强的抗冲击和抗弯曲的能力。

1.4 汽封的结构形式

传统汽封的汽封腔室形状直接影响着封汽效果。汽封流场有着一定的要求，越强的腔室内端流度，就有着越好的密封效果。气流的动能在汽封腔内应当尽量地转化成热能，从而增强封汽的效果。通常，可以采取以下措施实现这个目的：使气流在汽封腔室内多次拐弯碰撞；扩大相邻梳齿之间的距离；增加腔室表面、汽封齿与蒸汽的摩擦损失。

2 汽轮机汽封结构优化

2.1 汽轮机汽封改造思路

在传统的汽轮机汽封结构的基础上进行优化，在汽封前后压差和密封段长度保持不变的情况下，改变汽封的齿数、齿结构、齿分布、齿间隙等几何结构。通过对不同结构的汽封实施数值模拟，判断改造后的汽封是否优于原汽封。并根据数值模拟结果，缝隙汽封的齿数、齿间隙等几何结构变化将会对传统汽轮机汽封的内部流场产生何种影响，进而判断优化改造的可行性，最终确定科学的汽封几何结构，以确保提高汽轮机汽封的密封性能。汽封内部流场的数值模拟通常采用数值计算软件进行，如Fluent等。

2.2 汽封结构优化

针对传统汽轮机汽封存在的问题，本研究提出集中汽封改造优化的假设结构，并开展数值模拟，比较各个结构的密封性能，以确定密封效果最佳的汽封结构。（1）齿顶侧齿汽封结构。这种侧齿汽封结构，将侧齿移动到汽轮机汽封齿顶部。经过数值模拟，齿顶侧齿汽封结构的漏气量约为0.001487?kg/s。改变汽封侧齿的位置，将会改变汽封腔内的涡流位置、强度和形状等。汽轮机汽封腔室的上部空间将会形成一个相对较大的涡流，因为气流扩散至腔室内部时会受到齿顶侧齿的阻挡，从而降低了涡流强度，增加了汽封的漏气量，所以不推荐此种汽封结构。（2）双向齿汽封结构。改造高低齿汽封结构，去除传统汽封结构中的轴上凸太与低齿，并使用轴上高齿作为替代。经过数值模拟，双齿汽封结构的漏气量约为0.0003795?kg/s。和光轴平齿汽封结构相比，双向齿汽封结构因为具有轴上高齿，导致腔室内部的流体强

制转向，有着更多数量的内部涡流，每个腔室内部会形成几个小涡流与两个相对较大的反向涡流，各个涡流相互作用，从而增强耗散作用，减少漏气量。此外，双向齿汽封结构有着更大的涡流强度，更复杂的整体流场。和高低齿汽封相比，双向齿汽封结构有着更大的腔室体积，更大的涡流体积，各个涡流之间有着更强的相互作用，形成更多的小涡流。和高低齿汽封漏气量相比，双向齿汽封结构的漏气量降低18.1%。因此，双向齿汽封结构要好于高低齿汽封结构。（3）侧齿双向汽封结构。侧齿双向汽封结构综合了双向尖齿汽封和侧齿汽封的结构，是一种复合汽封结构，加装侧齿在双向齿汽封结构中。经过数值模拟，侧齿双向汽封结构的漏气量约为0.0002955?kg/s。在侧齿双向汽封结构中，通过最小间隙后气流会受到侧齿与双向齿的共同影响，从而产生强制转向，并在腔室内形成两个旋转方向相反的涡流，有效的降低了蒸汽的流动，从而提高了密封效果。值得一提的是，在这种结构中侧齿的数量不是越多越好，在具体的改造优化中，需要更具实际情况确定合理的侧齿数量与侧齿位置。

3 结语

综上所述，汽封的齿数、间隙、形状和结构形式等，均对汽轮机汽封的漏气量有着直接的影响。鉴于此，汽轮机汽封优化就需要进行有针对性的改造，经过数值模拟，双向齿汽封结构和侧齿双向汽封结构的漏气量相对较少，是较为理想的汽轮机汽封改造优化方案。

参考文献