CN104265378B - 一种新型滞回式可变间隙汽封 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型滞回式可变间隙汽封，包括汽封体和若干汽封弧段，所述汽封体朝向转子一侧的表面设有汽封装配槽，所述汽封弧段安装在汽封装配槽内，在相邻的汽封弧段断面之间通过弹簧连接；在所述各汽封弧段的进汽端设有进汽槽，在所述汽封体出汽侧设置至少一个出汽孔。本发明使汽封弧段在中高负荷下闭合，在较低负荷时重新打开，从而保证在汽轮机整个启动过程中汽封齿都不会与转子发生碰磨，避免了汽封齿的磨损、变形，延长了汽封的使用寿命，减少了漏汽量，增加了机组出力，提高了汽轮机的效率。

Description

一种新型滞回式可变间隙汽封

技术领域

本发明涉及汽轮机、燃汽轮机领域的汽封，尤其涉及一种新型滞回式可变间隙汽封。

背景技术

汽封是汽轮机等透平机械减少漏汽(气)损失、提高能量转换效率的关键部件。随着汽轮机叶片设计技术的进步，叶栅通道的能量转换效率几乎已经达到极致。另一方面，随着透平机械向着大容量高参数的方向发展，对机组的可靠性和经济性提出了更高的要求。因此，开发先进汽封、减少漏汽损失和提高汽封使用寿命，正成为大型汽轮机组进一步提高效率需要攻克的重大课题。

公知汽轮机轴穿出汽缸处、动叶顶部、隔板和转子之间以及高中压缸之间均设有汽封。从提高汽轮机效率的角度，需要我们减小漏汽量，目前，减小汽封间隙是减小漏汽量的最主要的途径。对于像汽轮机这样的流体机械，确保其运行的安全性始终是我们关心的重要问题，特别是在汽轮机启动过程中，由于汽缸和转子的温度场不均匀，上下汽缸温差过大而产生热变形，使得汽封间隙减小或消失，还有转子过临界转速时振动加大，以及汽缸和转子对中不准等因素的影响，汽封齿很容易与转子发生碰磨，使汽封齿磨损，密封效果下降，汽轮机效率降低。此外，碰磨还可能导致转子局部区域产生大量热量，有可能使转子产生永久性变形，威胁机组运行的安全性。值得指出的是，上述这些不利因素大部分都出现在汽轮机启动、低负荷或突然失去负荷的过程中，因此，在这些条件下保持一个相对大的汽封间隙值对于减轻对汽封的损坏是非常有必要的，同时，在中高负荷条件下，应维持小的汽封间隙值，以提高机组的经济性。

传统的汽封多为迷宫式汽封，它是在转子上加工出凸肩和凹槽，汽封采用高低齿结构与之相配合，以在汽轮机动静部分之间创造一个高阻尼、低流量系数的流动通道。汽封环沿周向一般分成4—12个汽封弧段，以适应水平中分式缸体。迷宫式汽封(梳齿汽封)作为汽轮机中一种主要的密封形式，它利用汽封与转子之间形成的一系列环形孔口和环形汽室，通过蒸汽的多次节流和耗散作用产生阻尼效果，减少蒸汽沿轴向的泄露。在迷宫式汽封的每个汽封弧段的背部一般都安装一片板弹簧，板弹簧的预紧力使汽封弧段沿径向向内靠近转子，使得汽封齿与转子表面的间隙保持最小值。当转子因各种原因与汽封齿发生严重碰磨时，这种汽封便具有一定的退让能力，但是由于板弹簧的刚度的存在，汽封弧段的退让是在转子与汽封齿存在较大接触力的条件下实现的，如果长期运行，对汽封和转子都将造成很大伤害，危害机组的安全经济运行。

近年来，出现了一种新型的可变间隙汽封，它可以随着汽轮机主蒸汽流量的变化，对应着工作介质的压力成比例的变化，自动地调节汽封间隙值。可变间隙汽封结构与传统汽封基本相同，只是在进汽面上铣出一道引汽槽，其目的是使汽封弧段背部压力(汽封体沟槽内部压力)等于进汽侧压力。可变间隙汽封取消了传统背撑弹簧片式汽封背弧的弹簧压片，将螺旋弹簧安装在两个相邻汽封弧段的垂直断面间，弹簧的推力使得汽封弧段在没有蒸汽压力时处在最大汽封间隙位置，机组启动时，随着蒸汽流量的增加，作用在每一汽封弧段背部的蒸汽压力逐渐增大，在足以克服弹簧力、摩擦阻力时，汽封弧段就开始逐渐关闭，直至处于工作状态，并始终与转子保持最小间隙值运行，停机时，随着蒸汽流量的减少，汽封弧段在弹簧力作用下远离转子，使径向间隙达到最大值。可变间隙汽封弧段与汽封体之间一般设计有3mm左右的退让距离，故汽封齿与转子表面就有3mm以上的间隙，这样就可以保证汽封弧段张开时，汽封齿不与转子碰磨。另外，可变间隙汽封的汽封齿一般仍采用传统的梳齿式。

现有的可变间隙汽封实现了汽封间隙可以随蒸汽流量的变化而变化，但是它仅仅解决了蒸汽流量到达一定负荷后汽封弧段闭合的问题，是一种固定负荷闭合、张开式汽封，也即汽封弧段闭合时和重新打开时对应的蒸汽负荷相等。但是由于上文中提及的各种因素的影响，在汽轮机起动阶段现有的可变间隙汽封仍有可能与转子发生碰磨。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型滞回式可变间隙汽封，使汽轮机在整个启动过程中汽封齿都不会与转子发生碰磨，避免了汽封齿的磨损、变形，减少了漏汽量，增加了机组出力，提高了汽轮机的效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种新型滞回式可变间隙汽封，包括汽封体和若干汽封弧段，所述汽封体朝向转子一侧的表面设有汽封装配槽，所述汽封弧段安装在汽封装配槽内，相邻汽封弧段之间通过弹簧连接；在所述各汽封弧段的进汽端设有进汽槽，在所述汽封体的出汽侧设置至少一个出汽孔。

进一步的，所述出汽孔沿所述汽封体出汽侧圆周方向均匀分布

进一步的，所述弹簧的两端设置在相邻汽封弧段端部的弹簧槽内，且所述弹簧为螺旋弹簧或板式弹簧。

进一步的，所述转子表面设有凸肩和凹槽，所述汽封弧段朝向转子的一侧表面设有汽封齿，所述转子和汽封弧段间隙配合。

有益效果：

1、通过在汽封体上设置若干出汽孔，让汽封弧段在中高负荷时才闭合，使汽轮机在整个启动过程中汽封齿都不会与转子发生碰磨，避免了汽封齿的磨损、变形，减少了漏汽量，增加了机组出力，提高了汽轮机的效率。

2、由于在启动过程中，转子不会因碰磨而产生热变形、弯曲，从而提高了机组的安全性，减少了机组非计划停机次数。

3、可变间隙汽封弧段间的弹簧采用可靠性更高的板式弹簧连接，克服了普通螺旋弹簧长时间使用后易腐蚀结垢、寿命短、高温下发生蠕变刚度下降等缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图1是本发明的汽封弧段截面结构示意图。

附图2是本发明的汽封弧段闭合时截面结构示意图。

附图3是本发明的汽封弧段张开时截面结构示意图。

附图4是本发明的六个汽封弧段、四只弹簧实施方式示意图。

附图5是本发明的汽封体及出汽孔位置示意图。

附图6是本发明的水平中分面处放大图。

附图7是本发明的四个汽封弧段、六只弹簧实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种新型滞回式可变间隙汽封，包括汽封体200和若干汽封弧段300，汽封弧段的数量一般在4—12个之间。所述汽封体200朝向转子600一侧的表面设有T形汽封装配槽，所述汽封弧段300安装在对应的汽封装配槽内，相邻汽封弧段300之间通过弹簧400连接，所述弹簧的两端设置在相邻汽封弧段300端部的弹簧槽330内，且所述弹簧400为螺旋弹簧或板式弹簧。所述转子600表面设有凸肩和凹槽，所述汽封弧段300朝向转子600的一侧表面设有汽封齿310，所述转子600和汽封弧段300间隙配合。在所述各汽封弧段300的进汽端设有进汽槽320，在所述汽封体200的出汽侧设置至少一个出汽孔210，所述出汽孔沿所述汽封体出汽侧圆周方向均匀分布。

所述汽封弧段300的进汽端设置的进汽槽320，使得汽封弧段300处于任何状态下，汽封弧段300背部腔室与进汽侧相通。所述汽封体200上设置的出汽孔210可使汽封弧段300在未完全闭合时，汽封弧段300背部腔室的蒸汽可通过出汽孔210漏入出汽侧，而当汽封弧段300处于完全闭合状态时，汽封弧段300背部腔室的蒸汽不能通过出汽孔210漏入出汽侧。

本发明在现有可变间隙汽封的基础上，通过在汽封体200出汽侧某位置开设若干出汽孔210，使得汽封弧段300背部腔室内的蒸汽可以从出汽孔流出，从而在一定程度上减小了汽封弧段背部腔室内的蒸汽压力，在其他条件不变的情况下，在汽轮机到达中高负荷之前，汽封弧段300一直处于张开状态，汽封齿310与转子600之间的间隙为最大，当汽轮机到达中高负荷时，汽缸100和转子600的温度场也基本稳定，汽封弧段300在蒸汽力的作用下实现闭合。一旦汽封弧段300关闭之后，其重新打开所对应的负荷要低于闭合时对应的负荷，这也就是“滞回”的概念的含义。

对于本发明新型滞回式可变间隙汽封，机组启动时，在汽封弧段300未完全闭合之前，由于压力差的存在，会有蒸汽源源不断从高压侧经进汽槽320流入汽封弧段300背部腔室内，同时，也会有蒸汽源源不断从汽封弧段300背部腔室经出汽孔210流入低压侧。现利用几个简单的方程来说明这一物理过程：

根据流体力学的知识，流体流经孔口、阀门时流量与压差的关系式为：Δp＝fG²，其中f为一与孔口、阀门结构等有关的常数，Δp是孔口、阀门的前后压差，G是通过孔口、阀门的流量。

先假设汽封弧段300未完全闭合之前，汽封高压侧压力为p₁，汽封弧段300背部腔室的压力为p₂，低压侧的压力为p₃，把进汽槽320和出汽孔210类比于孔口或者阀门，假设与它们的结构相关的系数分别为f₁和f₂。

对于蒸汽从高压侧经进汽槽320流入汽封弧段300背部腔室的过程有：其中G₁是通过进汽槽320的蒸汽流量。对于蒸汽从汽封弧段300背部腔室经出汽孔210流入低压侧的过程有：其中G₂是通过出汽孔210的流量。由于G₁＞0，G₂＞0，所以，p₁＞p₂＞p₃＞0，即汽封弧段300背部腔室中的压力介于进汽侧压力和出汽侧压力之间，而如果未在汽封体200上打孔，则有，p₁＝p₂＞p₃＞0。

对可变间隙汽封弧段进行受力分析有:

其中，F为汽封弧段闭合时弹簧力，α为汽封弧段圆心角，Δp为汽封弧段300所受的蒸汽闭合力减去开启力的差值，f_摩为汽封弧段300所受的摩擦力。显然，在汽封体200上出汽侧打孔之后，在汽封弧段300未完全闭合之前，由于汽封弧段背部腔室中的蒸汽压力减小，使得每个汽封弧段300上承受的蒸汽压差减小，而对于某一类型汽封来说，使它刚好能闭合所需要克服的弹簧力F和摩擦力f_摩是一定的，所以只有当高压侧压力p₁达到更高的数值才能使汽封弧段300闭合，也即实现了使汽封弧段300在中高负荷闭合的目标。

针对本发明新型滞回式可变间隙汽封的结构及布置形式，本发明例举了以下两种：

第一种：如图4所示，在汽封弧段300整圈上均匀分为六段，并在如图4所示的位置上布置4只板式弹簧。在汽缸的水平中分面处左右两端安装有止动器500，可以防止汽封弧段300在圆周方向上的滑动，同时也避免了上半圈汽封弧段300的重力对下半圈汽封弧段300的影响。在汽封体200出汽侧均匀布置6个形式如图5所示的出汽孔210，上半圈3个，下半圈3个，使得每个汽封弧段均有一个出汽孔210与之对应。

第二种：如图7所示，在汽封弧段300整圈上均匀分为四段，每段近似为90度，并在如图7所示的位置上布置6只螺旋弹簧。在汽缸的水平中分面处左右两端安装有止动器500，可以防止汽封弧段300在圆周方向上的滑动，同时也避免了上半圈汽封弧段300的重力对下半圈汽封弧段300的影响。在汽封体200出汽侧均匀布置4个形式如图7所示的出汽孔210，上半圈2个，下半圈2个，使得每个汽封弧段均有一个出汽孔210与之对应。

值得指出的是，实施例2在止动器500的上、下端面上各安放了一只螺旋弹簧，这样做的好处在于可以消除汽封弧段300端面与止动器500上、下端面的摩擦，减少了关闭汽封弧段300过程中的阻力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型滞回式可变间隙汽封，其特征在于：包括汽封体(200)和若干汽封弧段(300)，所述汽封体(200)朝向转子(600)一侧的表面设有汽封装配槽，所述汽封弧段(300)安装在汽封装配槽内，相邻汽封弧段(300)之间通过弹簧(400)连接；在所述各汽封弧段(300)的进汽端设有进汽槽(320)，在所述汽封体(200)的出汽侧设置至少一个出汽孔(210)。

2.根据权利要求1所述一种新型滞回式可变间隙汽封，其特征在于：所述出汽孔(210)沿所述汽封体(200)出汽侧圆周方向均匀分布。

3.根据权利要求1所述一种新型滞回式可变间隙汽封，其特征在于：所述弹簧的两端设置在相邻汽封弧段(300)端部的弹簧槽(330)内，且所述弹簧(400)为螺旋弹簧或板式弹簧。

4.根据权利要求1所述一种新型滞回式可变间隙汽封，其特征在于：所述转子(600)表面设有凸肩和凹槽，所述汽封弧段(300)朝向转子(600)的一侧表面设有汽封齿(310)，所述转子(600)和汽封弧段(300)间隙配合。