汽轮机随动悬浮齿汽封的应用研究

汤国琪

（山西临汾热电有限公司，山西临汾041000）

0 引言

某电厂2×300 MW机组采用哈尔滨汽轮机厂制造的CZK250/N300-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷、供热凝汽式汽轮机。随着机组运行时间的增长，由于汽封弹簧失效、汽封磨损等造成汽轮机汽缸效率低、热耗大[1]。为提高机组运行的经济性，对1号机实施了汽轮机随动悬浮齿汽封的改造。

1 随动悬浮齿汽封技术

1.1 工作原理

随动悬浮齿汽封把原来的汽封齿化整为零，变成一个个小齿，每个小齿能够独立动作，比原汽封齿高0.3～0.5 mm，弥补动静之间被人为放大的“安全”间隙。小齿根部呈悬浮设计，受力即可后退，轻触于旋转轴上，对轴的摩擦力可忽略不计；悬浮齿可以微量摆动，消除轴旋转对齿的冲击影响，保证齿和轴无硬摩擦。

1.2 结构形式

悬浮齿采用耐高温弹性材料，工作温度可达800℃，齿厚按工况要求在0.18～0.2 mm之间，齿宽4～8 mm。齿片热传导性好，轻触时热量散发快。悬浮齿连体式设计有护齿结构，保证小齿工作时不脱落，激光焊接和铆焊两种加工工艺相结合，确保使用的结构强度。

为方便汽封间隙检测[2]，随动悬浮齿汽封在出厂前都装有齿片压条，即悬浮齿片被压条顶起，因此可按常规梳齿汽封的间隙检测方式进行。待该汽封调整合格后（包括膨胀间隙），将每块汽封块上的压条抽出，恢复悬浮齿片的正常间隙。图1为随动悬浮齿汽封结构图，图1中A间隙为压条抽出前间隙，B间隙为压条抽出后间隙。

图1 随动悬浮齿汽封结构图

1.3 技术特点

a）密封间隙小，安装时可按0.05～0.1 mm间隙调整，汽轮机正常运行研配间隙可以更小，小间隙是保证提高密封能力的主要因素。

b）随动悬浮齿结构精巧，所占空间5×7 mm，不影响汽封整体强度。对应轴端、隔板及过桥汽封，如果汽封体结构适合，可增加随动悬浮齿2～3道，多道小间隙密封齿带来更好的密封效果。

c）随动悬浮齿每个小齿都能独立退让，动作灵活，轻轻一按就会后退，齿尖轻贴在转轴上，对轴压力很小，可忽略不计，主要因为齿根和转子轴向水平，对转轴没有正向压力。

d）受到转轴压力退让，随转轴旋转径向倾倒时受护齿结构控制，只能向下运动，躲开转轴；小齿微微侧倾即离开转轴，还没碰到小齿即失去受力，所以不会塞夹在一起。

e）小齿受转子压力，无拉力，轻微受力即后退侧倾，不会脱落。小齿设计时根据受力特点，弹性变形点加强，齿根受力点加强，既保证弹性灵活又不失强度。

f）小齿采用耐温800℃以上的特种高温变形合金，退火温度1 100℃，工作温度为-200～700℃时有较强的抗蠕变特性，转子旋转碰摩小齿，不会脱落影响密封。

g）小齿片属微动退让，与转子振幅同步，所需弹力非长期受力所需的屈服弹力，所以保持微小弹力即可正常工作。

h）齿片采用耐高温变形合金材料，工作耐温达800℃，此种材料耐热抗振性好，高温状态保持弹力能力强，即使长期高温其弹性衰变，其残余弹力也可满足小齿微动所需。

i）小齿迎汽侧有护齿保护，受护齿结构影响，侧倾角度受限，与护齿及后面高齿间隙0.1 mm，受冲刷时不会扭曲，保证齿片排列整齐不影响密封。

j）随动悬浮齿汽封把原来整圈汽封齿化整为零，分割成一个个小齿，整块汽封对轴的压力被每个小齿分解，相对摩擦力小；普通汽封是整体结构，汽封对轴的压力容易集中在某个点上，单点压力非常大，摩擦力亦会很大，对转轴影响非常大。

1.4 应用部位

高中低压轴端汽封；高中压叶顶、隔板汽封；高中压侧、高压排汽侧平衡活塞汽封。

2 改造方案及工期

2.1 改造方案

1号机组上一次A级检修进行了布莱登汽封改造，对高、中压缸的2道轴端汽封、中压缸8道隔板汽封、高中压侧及高排10道平衡活塞汽封共20道汽封进行了布莱登汽封改造；对高压缸喷嘴阻汽片5道、高压缸隔板阻汽片48道、低压缸叶顶正反末级及次末级阻汽片各6道共65道阻汽片进行了拆除、更换。由于布莱登汽封的弹簧形式做了本质的改变，所以本次A级检修前通过调研论证，拟采用随动悬浮齿汽封改造。考虑到机组高压轴端蒸汽压力较大，在汽封的随动悬浮齿设计时重点对高压轴端后部1、2圈汽封设计了3道悬浮齿。

本次1号机A级检修揭缸检修过程中采用随动悬浮齿汽封技术分别对高、中、低压缸的16道轴端汽封、高压缸2～11级隔板10道汽封、高中压侧及高排9道平衡环汽封共35道汽封圈进行改造；对高压叶顶、中压叶顶汽封33圈梳齿汽封进行加宽加齿设计改造；对高压喷嘴、中压隔板1～12级、低压叶顶正反4～5级的68道阻汽片进行拆除、镶嵌，改造更新，并对汽封间隙进行优化调整，经全实缸验收。

2.2 改造工期

项目设计、设备制造工期50 d，其中通流汽封改造设计20 d，改造阻汽片制造30 d。现场改造工期需45 d，其中停机冷却及揭缸、修前测量15 d，阻汽片拆除及镶嵌安装、加工损坏汽封圈15 d，高中低压缸汽封间隙调整、全实缸验收15 d。

3 启动方案

汽轮机随动悬浮汽封齿片间隙较小，汽轮机启动时需要耐心磨检，要按步骤先研磨出合理间隙，达到规定转速稳定运行后再过临界，实现启机过程平稳可控。

a）随动悬浮齿汽封轴封0～0.1 mm间隙，缸内间隙比普通汽封小，因轴封密封蒸汽流动量小，转子膨胀需要一定时间，故需要充分暖机。

b）启动前调出1、2瓦X、Y方向轴振及转子偏心值曲线，以便于监控。

c）冲转前，连续盘车时间必须在4 h以上。机组转速、偏心、轴向位移、胀差、振动保护等表计显示正确，并正常投入。

d）汽轮机冲转，目标转速200 r/min，升速率20 r/min。汽轮机转速大于3 r/min，若盘车装置未自动脱扣，应打闸停机，查明故障原因，排除故障后方可重新冲转。

e）机组转速升至200 r/min时，磨检30 min。检查机组偏心、振动正常后，分别提升转速至300 r/min、400 r/min、500 r/min、600 r/min，机组转速在600 r/min磨检时间不低于1 h。

f）机组转速升至1 100 r/min时，磨检1 h。磨检完成后，确认机组振动正常，不再上升，初步具备过临界条件，先降低转速至800 r/min，稳定10 min，设定升速率100 r/min，再提速至1 100 r/min 1～2次；若机组振动不大幅度增加，振幅不超0.07 mm即可不降速，直接过临界，目标转速2 450 r/min。

g）低转速时偏心较大或振幅波动较大不宜提速，提速时如果轴振上升明显或接近0.1 mm即快速降低转速。汽轮机冲转后在轴系一阶临界转速前，任一轴承出现0.03 mm振动或任一轴承处轴振超过0.12 mm，应立即打闸停机查找原因。

h）严密监视机组左右侧膨胀、胀差、轴向位移、上下缸温差，发现异常，应立即查明原因并处理。

i）机组转速升至2 450 r/min，蒸汽温度压力提高，机组仍需充分暖机，暖机不低于2 h，严密监控机组振动，振动上升时就降低转速至安全转速，暖机后升速至3 000 r/min。

j）机组带初始负荷时监控振动情况，只要平稳可控，慢慢升负荷，升负荷速率3 MW/min。机组负荷变化时转子转动轴心会发生变化，会有新的摩擦产生，可通过暖机消除。振动曲线如果有锯齿样波形即证明还有摩擦，只要振动不增加或降速振动较小，说明摩擦量很小，一般运行2 d后消除。

4 改造效果

a）通过对机组高中压缸轴端汽封改造，可以充分利用随动悬浮齿汽封的良好密封能力，加强前后轴端的密封效果，大大减少轴端的漏汽程度和漏汽量，减少非做功蒸汽的损失，相对提高蒸汽的做功能力。

b）通过对机组高中压侧平衡活塞汽封的随动悬浮齿汽封改造，可以有效减少高中压缸之间的漏汽，提高喷嘴的做功能力。

c）通过对机组低压缸前后轴端汽封的改造，可以充分利用随动悬浮齿汽封的良好密封能力，提高低压轴端的密封效果，大大减轻空气的漏入，对提高机组真空有良好的效果。

d）通过对汽轮机随动悬浮齿汽封改造，高压缸、中压缸、低压缸的效率分别提高了1.49%、0.8%、1.08%，机组热耗降低125 kJ/（kW·h），供电煤耗降低4.81 g/（kW·h），改善了汽封的性能，机组轴振最大59 μm（1瓦X方向），振动良好。

5 结束语

汽封是汽轮机关键零部件之一，其性能的优劣，不仅影响机组的经济性，而且影响机组的可靠性[3]。随着高参数、单机功率的不断提高以及机组频繁的调峰运行，汽封的经济性和安全性问题日益突出。随动悬浮齿汽封具有结构设计简单、性价比高、间隙补偿性好、运行安全可靠等优点，采用随动悬浮齿汽封技术，经实际应用，取得了显著的节能效果，具有良好的应用及推广前景。