接触式蜂窝汽封在12MW汽轮机中的应用

张志伟

(广州珠江啤酒股份有限公司热电厂，广东 广州 510315)

一、改造背景

汽轮机汽封系统的作用是在汽轮机轴端形成蒸汽密封；高压端的汽封的作用是防止高压部分汽缸内的蒸汽外漏，造成轴承油内进水和蒸汽能量损失；低压端的汽封的作用是防止外界空气顺汽封漏进汽缸真空部分，影响机组的真空以及运行的安全性和经济性。

珠江啤酒股份有限公司热电厂3#汽轮机是次高压抽汽式机组，额定功率为12MW，额定转速为3 000r/min，进汽压力4.6～5.1MPa，进汽温度为455～480℃，汽轮机前后端汽封采用梳齿迷宫汽封。机组于1997年投运后，汽封存在以下问题。

(1)高压汽封齿与汽封套磨损严重，导致主轴需送回厂家更换汽封套。

(2)高压汽封间隙超过最大标准值0.5mm，导致机组漏汽量变大。

(3)轴承箱内漏入泄漏的蒸汽，机组润滑油带水，乳化严重，需要停机组进行处理，润滑油需全部更换。

(4)排汽缸低压汽封泄漏大，使真空严密性受影响。

二、机组原汽封工作原理及存在问题

该机组采用梳齿式迷宫密封，其工作原理为：一定压力的蒸汽流过梳齿式迷宫密封时，必须依次经过汽封篦齿尖与轴凸肩所形成的狭小间隙，如图1所示。当经过第一个间隙，蒸汽因节流作用由P1降至P2，汽流加速，随后高速进入小室，发生撞击和涡流，速度降低，动能转化成热能；当蒸汽经过第二个间隙时，重复上述过程，压力由P2降到P3。如此，蒸汽流经最后一个汽封篦齿时，压力降至P，已与大气压力相差很小。所以，在一定的压差下，汽封齿越多，每个篦齿前后的压差就越小，漏汽量也越少，当汽封篦齿足够多时，漏汽量为零。

在实际运行中，梳齿式迷宫汽封对于防止漏汽、提高机组热效率起到一定的作用，但也存在一些不足。(1)汽机在启停过程中，当转子过临界转速时，振动幅度较大，汽封径向间隙较小时，汽封齿不具耐磨性，容易发生磨损，径向密封间隙变大，漏汽量增加。(2)汽封齿与汽封套摩擦，产生大量的热，有可能造成轴的局部过热而引起转轴弯曲。所以检修时人为放大径向间隙，以保障机组的安全。(3)泄漏的蒸汽顺着轴颈窜入前轴承室，造成润滑油严重带水，导致调节系统各部件腐蚀，引起调节系统部件卡涩，影响调速系统的准确性。同时会破坏轴瓦与轴颈之间的润滑油膜，使轴承振动增大，影响汽轮机的安全运行。(4)低压端汽封密封磨损后，大量气体漏入排汽缸，严重影响机组真空严密性，降低机组出力和热经济性。

为彻底解决梳齿密封迷宫密封漏汽问题，消除机组的安全隐患，提高机组的效率，决定在保留梳齿结构和汽密性基础上，采用目前比较先进的接触式蜂窝汽封技术进行技术改造。

三、接触式蜂窝汽封的原理及优点

接触式蜂窝汽封装置是接触技术与蜂窝技术的结合。接触式密封是在已有的汽封圈体中心部分嵌入与轴(套)直接接触的非金属汽封齿，具有以下特点。(1)与转轴接触部分的接触齿材料是一种非金属复合材料，具有耐高温、耐磨、耐油特性，自润滑性好，不易磨损轴径，不会引起轴发热和轴系振动，能够保持与轴始终接触而稳定运行，密封效果好，减少漏汽，机组效率得到提高。(2)汽封齿的背部设有单独的弹簧压力系统，具有自动跟踪转轴，尤其是汽轮机启动停止时，实现自动跟踪、自动补偿，完全无间隙运行。(3)接触汽封齿具有精确限位装置，径向后退量2.5mm，径向前进量0.5mm，具有很高灵敏度，适应转轴偏摆及晃动。

蜂窝汽封是在原汽封低齿部位加入蜂窝带，蜂窝带由内孔表面为蜂窝形状的六边形小蜂窝孔组成，其材料为镍基高温合金材质，用高温真空钎焊与汽封圈焊接在一起。当汽流通过高齿进入蜂窝带时，汽流在压力的作用下，进入蜂窝汽室，汽流在六角形汽室中形成涡旋，使汽流内水平方向变为向下垂直方向，进而借助汽流压力形成一道汽墙，并形成一道汽密封，达到阻流、扰流的作用。其具有以下特点。(1)有效地达到密封效果，减少做功汽体泄漏，在同等间隙的情况下，其泄漏量比普通梳齿汽封减少30%～50%，大大提高了汽轮机组的热效率。(2)利用蜂窝网格对汽流产生摩擦阻尼效应，相当于一层气垫，有助于减小轴振。(3)蜂窝带中的蜂窝网格对气流中的水分具有结露作用。(4)接触式蜂窝汽封在普通梳齿汽封上改造比较方便，不用改变转子或汽封套的结构，只需参照原汽封圈的尺寸即可。

四、改造方案

1.前汽封改造的实施方案

针对3#汽机前轴封泄漏严重的情况，将其前汽封的第7至11圈汽封更换为接触式蜂窝汽封(图2)。在压力区段，非金属密封齿可将密封齿与汽封套的径向间隙根据不同的位置，调整至金属齿无法达到的0～0.15mm，既能大大减少缸内各漏点的漏汽量，使进入汽轮机的蒸汽量都沿着汽轮机的叶栅通道前进做功，又能防止汽缸内蒸汽漏出缸外进入轴承室，造成润滑油含水，达到减少能源的损失、提高机组效率的目的。

2.后汽封改造的实施方案

针对3#汽机后轴封严密性差的情况，将后汽封的全部四圈汽封更换为接触式汽封(图3)。在真空区段，非金属密封齿可将密封齿与汽封套的径向间隙根据不同的位置调整至0～0.05mm，有效防止汽轮机外侧的空气向汽轮机内泄漏，使汽轮机真空系统稳定，从而保证汽轮机有尽可能低的背压参数，提高汽轮机的效率。

五、效果

改造后，3#汽轮机汽封漏汽明显减少，泄漏量由0.4t/h降至0.1t/h，每小时可减少汽封泄漏蒸汽0.3t，解决了轴端汽封泄漏大以及汽封漏汽进入轴承室造成汽机润滑油乳化失效问题，减少了更换汽轮机润滑油的损失，提高机组的真空度1.0kPa。