各种汽轮机汽封形式介绍

汽轮机各种型式汽封的应用及评价

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引言

汽轮机是将蒸汽的热能转变为机械能的一种动力机械，级是其最基本的工作单元，在结构上它是由喷嘴和其后的动叶栅所组成，蒸汽进入喷嘴后其热能转变为动能，然后进入动叶给动叶片以冲动力，使叶轮旋转而输出机械功。大型汽轮机就是由多个级组成，每个级都有动、静两部分组成，因此整个汽轮机也就由动、静两部分组成。汽轮机的转动与静止部分之间必须有一定的间隙，以防相互摩擦。由于汽缸内外、隔板前后以及带反动度的动叶两侧存在压差，而相应各处动静部分之间又必须保持一定间隙以使它们不致相碰，因此必须设置汽封装置。

汽轮机的汽封根据安装的位置不同分为：轴端汽封（简称轴封）、隔板汽封、和通流部分汽封，分别用来防止汽轮机的轴端、隔板和动叶顶部、根部蒸汽的泄漏，其作用分别是防止外界空气进入汽轮机，与汽轮机内的蒸汽混合，减少蒸汽泄漏量，从而减少化学补水量和防止高位能的工作介质低位能流动。作为汽轮机的易损件和必备部件，汽轮机的汽封越来越引起从事汽轮机设计的工程技术人员的关注。因为从汽轮机运行的测试结果可以看出汽轮机级间蒸汽泄漏使得机组内效率降低，漏汽损失占级总损失的29%，其中动叶顶部漏汽损失则占总漏汽损失的80%，比静叶或动叶的型面损失或二次流损失还大，后则仅占级中损失15%。。近年随着汽轮机汽封技术的不断发展，汽轮机运行的安全可靠性和机组热效率都得到相应的提高。

为了减少漏气损失，提高机组安全和经济性，国内外有关部门对传统汽封进行改造和设计，已陆续出现了许多新型汽封。

一、 传统疏齿式（迷宫式密封）密封

传统的迷宫密封为一种非接触式密封，不能杜绝泄漏，而是用逐级节流的方法来抑制泄漏，由于受设备轴向长度的限制，使迷宫密封泄漏量较大，并且迷宫密封的泄漏流量随着压差的增大而急剧上升，其密封效率急剧下降，据相关统计资料显示，汽轮机间隙每增加0.0254mm，平均功率损失约4~5kW 。

目前被广泛应用于大、中、小型汽轮机的传统汽封主要为迷宫式汽封。迷宫式汽封中根据断面的形状不同常用的有枞树型汽封和梳齿式汽封。其中梳齿式汽封因其汽封成本低、结构简单、安全可靠且易于安装而被广泛应用。其结构如下图：

梳齿式迷宫汽封简图

疏齿式密封的密封原理是利用逐级节流膨胀增加流阻的方法来抑制泄露，由于受设备轴向长度的限制，其泄漏量一般比较大，由于该汽封产品室一种非接触式刚性密封，间隙太小，汽封齿就很容易和转子碰磨，而且还会因两个刚性碰磨而带来安全问题。

梳齿汽封主要有以下缺点：

传统迷宫密封在实际运行过程中，并不能完全保证设计间隙，由于起机过临界、异常振动超差、气流激振等原因，都会使汽封齿造成永久性的磨损，导致密封间隙成倍的增加，也就是说，我们精心调整好的汽封间隙很有可能在第一次启动过临界时就被磨大了，对老机组而言，这种情况更加明显。因此考虑到转子过临界转速的振动，传统梳齿式迷宫汽封安装时径向间隙一般为0.60~0.80mm，根据转子不同情况，有的间隙更大。

由于轴封漏汽量较大（尤其在汽封齿被磨损后），蒸汽对轴的加热区段长度有所增加，并且温度也有所升高，使胀差变大，轴上凸台和汽封块的高、低齿发生相对位移而倒伏，造成漏气量增加，密封效果得不到保证。

汽封齿与轴发生碰磨时，瞬间产生大量热量，造成轴局部过热，甚至可能导致大轴弯曲，所以在机组检修时，电厂只能把汽封径向间隙调大，以牺牲经济性为代价来确保机组的安全性。

在实际运行中由于汽封块的弹簧片长期处于高温高压的蒸汽中，工作环境恶劣，再加上弹簧片本身材质的原因，在汽轮机检修中常常发现因弹簧片弹性不良、汽封块因结垢被卡死造成汽封间隙发生变化。

曲径汽封环形腔室的不均匀性，是产生汽流激振的重要原因，而汽轮机高压转子产生的汽流激振一旦发生就很难解决，危及机组的安全运行。

二、 蜂窝汽封；

上世纪90年代初，美国航天科学家在研究航天飞机液体燃料涡轮泵的密封问题时，试验发现蜂窝状的汽封可产生很好的密封效果，于是蜂窝式汽封便开始在航天飞机、飞机发动

机及燃气轮机上推广应用。从汽封发展来说蜂窝密封是第二代产品。

所谓蜂窝式密封，是在静子密封环的内表面上由规整的蜂巢形状的正六面体的小蜂窝孔状的密封带状物构成，其材料是由厚度仅为0.05~0.10mm的海斯特镍基耐温薄板在特殊成型设备上制成的正六面体网格型材，再经过特殊焊接设备焊接而成，根据密封环尺寸制成的蜂窝带在真空钎炉中通过真空钎焊技术焊接在母体密封上，而形成了蜂窝式密封。如图所示

蜂窝汽封密封原理示意图

将传统汽封低齿车削，由蜂窝状汽封取代，蜂窝是由六边形孔边片组成，其芯格尺寸为0.8mm～2mm，板厚0.05mm～0.2mm，蜂窝深度为3mm～6mm。蜂窝汽封由于具有较宽的密封带，改变了传统直形汽封低齿齿数由于受结构限制，只能布置很少（一般1~2齿）的缺点，仍保留汽封高齿。相当于增加了汽封齿数量，加大了汽流阻力，提高了密封效果。蜂窝汽封退让仍采用传统汽封的背部板弹簧结构，所以安装间隙一般取传统汽封径向间隙设计值的上限。

蜂窝密封的节流原理是气流流经蜂窝时，在一定的流速和间隙下形成涡流，而产生阻尼效果。但在实际运行条件下，并不能满足涡流形成的条件，很难形成良好的涡流现象。其结构仍然是一种刚性密封，一旦碰磨就会造成永久性的磨损，而间隙随之增大，间隙过小起机时容易抱轴，造成起机困难，间隙过大则密封效果差，因此蜂窝通常用于低压末级叶顶湿蒸汽区。

主要缺点：蜂窝汽封退让仍采用传统汽封的背部板弹簧结构，所以安装间隙一般取传统汽封径向间隙设计值的上限。易磨损，间隙无法恢复，若间隙过小或膨胀不均会造成蜂窝带与转子（或围带）面接触，可能导致振动加剧甚至转子抱死的情况。

三、 自调整汽封（布莱登汽封）

布莱登汽封工作原理是：汽轮机运行时，依靠各级前后的压差变化来克服弹簧弹力，起

到调节汽封间隙的作用。这就解决了传统汽封存在的机组开、停机过程中存在转子过临界时振动过大而造成汽封碰摩问题。也解决过临界震动大对汽封间隙造成永久增大的问题，能适应机组负荷的变化自动调整密封间隙。一般该汽封使用于高压部分隔板，因为在此处汽轮机级的前后压差可以满足需要，而中低压部分及轴封则不适用，而叶顶处直径过大，如果采用布莱登汽封，每相邻两块汽封处的接缝间隙预留将会很大，因此在此处形成的泄漏量未必能补偿汽封间隙调整后所获的收益。

自调整汽封的结构形式是将螺旋弹簧安装在两个相邻汽封块的垂直断面，并在汽封块上加工出蒸汽槽，以便在汽封块背部通入蒸汽，汽封齿仍采用传统的疏齿式。

建议改造位置：基于布莱登汽封对级前后压差的要求，因此仅可以使用在高、中压缸隔板汽封和轴封，而低压部分不能使用。

自调整汽封应用中两个最主要的问题是弹簧质量和卡塞，对蒸汽品质要求较高。故其主要缺点有：

（1）在启动与初始负荷阶段，汽封环在弹簧作用下，处于全开位置，此时汽封间隙最大，漏气量大，转子加热快，若汽缸加热滞后，易出现较大的正胀差。

（2）在做调查的机组中，有些机组由于自调整汽封加工尺寸、弹簧质量或安装工艺等方面存在问题，使得机组在运行中汽封块不能完全合拢，因此需要选择质量可靠的产品，并保证实施时具有精湛的安装工艺。

（3）对水质要求较高，但长期运行可能造成弹簧结垢，疲劳失效而无法长期保持灵敏的自调整效果，机组再次起动因间隙较小而出现动静碰磨，可能产生振动。

四、 接触式汽封；