CN105673091B - 一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置 - Google Patents

Abstract

一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，包括多个汽封弧段、辅助密封条和设在汽封弧段之间的弹簧；汽封弧段上设有汽封齿；汽封齿与转子表面配合形成密封间隙，高压侧汽封齿间隙大于低压侧汽封齿间隙；汽封弧段中间位置分别设高压通汽槽和低压通汽槽，汽封弧段背部空腔分别连通高压侧和低压侧，高压蒸汽和低压蒸汽通过辅助密封条阻隔。本发明具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封不仅实现了根据汽轮机启停机和正常运行两种状态自动改变密封间隙，而且能实时根据转子的位置自动调整密封间隙，始终保持运行状态密封间隙在设计范围之内，长期保持良好的密封性能，且兼具减小轴系振动幅值的功能，能够全面提高汽轮机运行的安全性和经济性。

Description

一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置

技术领域

本发明涉及一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，属于汽轮机汽封领域。

背景技术

汽轮机作为火力发电厂的三大主设备之一，其效率很大程度影响着电厂的经济效益，通过设备技术改造和完善机组运行方式，来提高机组运行效率成为有效途径。汽轮机通流部分设计、制造技术日臻完善，漏汽损失已成为制约汽轮机效率提高的主要因素(占整机组通流热效率损失的60％以上)，所以提升汽封性能，减少汽轮机通流漏汽损失，对提高机组运行效率至关重要。

现有技术中，梳齿汽封是应用最为广泛的汽封技术。单道梳齿汽封的轴向宽度一般设计为不大于60mm，相应当量齿个数不多于10个(对于高低齿汽封，一个高齿记为一个当量齿，两个高齿之间的低齿也记为一个当量齿，进一步说明，无论两个高齿之间的低齿有多少个都记为一个当量齿)，通过轴向上多个汽封齿实现逐步降压，以减少泄漏。

梳齿汽封的突出优点是成本低廉、使用安全、密封效果较稳定，但这种稳定是低水平的稳定。梳齿汽封安装时一般需预留0.5～0.8mm径向间隙，即便如此，依然无法避免汽轮机启停过程中过临界转速振幅增大、汽缸受热不均引起变形等因素带来的过量磨损，一经碰磨，间隙永久性扩大。多年来，如何缩小并保持较小的汽封间隙成为困扰本领域技术人员的难题。

汽轮机运行有其特殊性，近年来的研究报告，如华电电力科学研究院和上海汽轮机厂共同出版的《汽轮机各部位新型汽封选型方案研究》指出：“汽封的出路在能够根据汽轮机组运行状态的改变而改变汽封间隙。比较科学的汽封应根据汽轮机组启停机和正常运行两种状态，自动改变汽封间隙，同时分别满足两种状态下所需的安全间隙和经济间隙。一般来说，汽轮机安全间隙是经济间隙的3～5倍。”

在《汽轮机组汽封选型最佳组合方案标准化研究》一文中，也得出了如下结论：

状态	持续时间	对间隙要求	目的
				启停机状态	短暂	各部位动静间隙应保持较大的安全间隙	顺利启停机
并网运行状态	长期	各部位动静间隙应保持较小的经济间隙	经济高效运行

现有技术中，能够实现上述间隙自调整特性的典型技术为布莱登汽封技术。布莱登汽封取消了传统梳齿汽封背部的弹簧片，取而代之的是在每圈汽封弧段端面处至少安装四只周向螺栓弹簧，并在每一个汽封弧段背部铣出一进汽槽，使汽封弧段背部的压力近似等于上游高压侧压力。在汽轮机启停机阶段，汽封上下游压差较小，在周向弹簧的作用下，汽封处于完全张开状态，汽封与转子之间保持较大的安全间隙，一般为2～4mm；在汽轮机正常运行状态，汽封上下游压差增大，由进汽槽进入汽封弧段背部的蒸汽产生一较大的向心闭合力，汽封随之闭合，汽封与转子之间保持较小的经济间隙，一般为0.3～0.5mm，进而实现高效密封。

然而，业内对布莱登汽封的实际应用效果褒贬不一，一般认为布莱登汽封可能存在的问题至少包括：1、弹簧质量问题；2、汽封弧段不能完全合拢；3、布莱登汽封闭合后，仍然存在类似于传统梳齿汽封一旦碰磨间隙永久性扩大的问题。

此外，汽流激振易发生在汽轮机高压转子上。已有的研究表明，汽封蒸汽激振力是引起上述现象的主要原因。由于转子的动态偏心，引起汽封内蒸汽压力周向分布不均匀，并伴随蒸汽的周向流动，产生垂直于转子偏心方向的合力，促使转子涡动，轻则造成汽封齿碰磨，增大汽封泄漏，重则造成转子失稳，严重威胁机组的安全运行。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，包括多个汽封弧段、辅助密封条和设在汽封弧段之间的弹簧；汽封弧段上设有汽封齿，总当量齿个数不少于10个；汽封齿与转子表面配合形成密封间隙，高压侧汽封齿间隙大于低压侧汽封齿间隙；汽封弧段中间位置分别设高压通汽槽和低压通汽槽，汽封弧段背部空腔分别连通高压侧和低压侧，高压蒸汽和低压蒸汽通过辅助密封条阻隔。

作为本领域的常规概念，汽封弧段沿径向由外圈到内圈包括依次相接的挂耳、脖颈、汽封基体和汽封齿，挂耳的外圈表面称为大背弧，挂耳的内表面(即与汽封基体相对的面)称为小背弧；应用时，上述汽封的挂耳与静子T型槽较宽的部分配合，上述脖颈与静子T型槽较窄的部分配合；汽封弧段背部空腔指挂耳与静子T型槽配合形成的空腔。

上述具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封的汽封齿数较多、轴向宽度较宽，主要应用于汽轮机高中压间过桥、调速级叶顶、高压第一级隔板、轴端内侧等汽封前后压差较高的位置，由于汽封前后压差较高，为了减少泄漏量，这些位置需要设计更多的汽封齿，对于现役机组，这些位置一般都设计多道传统梳齿汽封，安装空间相应较大。因此，本发明单道汽封可替代传统的多道汽封，并保持汽封齿数以及轴向占用空间不变。优选，改造工程中，本发明单道汽封替代两道传统汽封。

上述具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封的汽封齿包括高压侧汽封齿和低压侧汽封齿。“高压”与“低压”的区分是以辅助密封条为界限的，辅助密封条上游定义为高压侧，辅助密封条下游定义为低压侧。上述高压侧，汽封弧段背弧(外弧面)压力大于汽封基体内壁(内弧面)压力，因此产生指向转子表面的闭合力；上述低压侧，汽封弧段背弧(外弧面)压力小于汽封基体内壁(内弧面)压力，因此产生远离转子表面的开启力。上述闭合力和开启力的相对大小主要取决于高压侧和低压侧的轴向宽度以及高压侧汽封齿和低压侧汽封齿各自承担的压差。上述高压侧轴向宽度大于低压侧轴向宽度，上述高压侧汽封齿个数大于低压侧汽封齿个数，且高压侧汽封齿间隙均大于低压侧汽封齿间隙，优选相差0.1～0.8mm。当汽封齿间隙均较大时，如高压侧汽封齿间隙为2.2mm，低压侧汽封齿间隙为2mm，则高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值接近1；当汽封齿间隙缩小时，高压侧汽封齿间隙和低压侧汽封齿间隙缩小值相同，如高压侧汽封齿间隙为0.3mm，低压侧汽封齿间隙为0.1mm，但高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值将变为3。正是由于高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值发生显著变化，才造成高压侧汽封齿和低压侧汽封齿各自承担的压差发生显著变化。因此，对于已定结构的本发明汽封，上述闭合力和开启力的相对大小随着汽封齿间隙变化而显著变化。在某一汽封齿间隙条件下，上述闭合力与开启力的大小相当，此间隙即为设计密封间隙。若当前密封间隙显著大于设计密封间隙，闭合力远大于开启力，本发明汽封将自动靠近转子表面，缩小密封间隙以减少泄漏；若当前密封间隙显著小于设计密封间隙，开启力远大于闭合力，本发明汽封将自动远离转子表面，扩大间隙以避免碰磨。正是上述这种特性，能保证汽封弧段始终悬浮于转子表面，既不会因密封间隙过大而增加泄漏，又不会因密封间隙过小而产生碰磨。

进一步说明，由于汽封弧段在压差作用下还受到较大的轴向推力，靠近或远离转子表面均需克服轴向推力造成的静摩擦力，只有当上述闭合力与开启力的合力大于静摩擦力时，汽封弧段才能实现自调整。此外，这种特性增加了汽封弧段的稳定性，避免汽封间隙频繁调整。

由于本发明汽封密封间隙的变化与保持是受压力驱动的，当汽轮机处于启停机状态或极低负荷状态，汽封弧段前后无压差或压差过小，汽封弧段与转子的相对位置将主要受重力影响，会导致局部密封间隙过小，可能产生碰磨。为了避免启停机阶段和极低负荷阶段汽封与转子发生碰磨，在汽封弧段之间增设弹簧，使初始汽封间隙保持最大值。

上述设在汽封弧段之间的弹簧为螺旋压缩弹簧或弧形板式弹簧。优选，设在汽封弧段之间的弹簧为弧形板式弹簧。通过选用合适厚度的高温合金板材，较容易制造满足设计要求的弧形板式弹簧。

上述弧形板式弹簧卡接在汽封弧段的端面。为了方便安装调试，弧形板式弹簧用螺钉固定，防止脱落。

上述弧形板式弹簧接近转子的边沿基本与汽封齿的低齿齐平，但不高于低齿。采用上述设计方案，弧形板式弹簧还起到阻隔蒸汽周向流动的作用，有利于提供更为稳定的闭合力和开启力，还能抑制汽流激振，减小轴系振动幅值。

申请人经研究发现，当转子由于涡动相对汽封圈偏心时，转子表面将由于压差的作用产生与转子偏心方向相反的径向力，增大轴系阻尼，从而减小振动，提高汽轮机轴系的稳定性。

优选，上述高压侧汽封齿间隙比低压侧汽封齿间隙大0.1～0.8mm，且高压侧若干汽封齿沿汽流流向密封间隙逐渐缩小，低压侧若干汽封齿沿汽流流向密封间隙保持不变。采用上述设计方案，加工误差、安调偏差等因素对本发明汽封的工作特性影响极小。

为了减小本发明汽封背部高压蒸汽向低压侧泄漏，上述辅助密封条至少包括设置在汽封脖颈内侧面的C型密封，C型密封开口与高压侧相连通，在压差作用下自胀紧，实现良好密封。

为进一步提高汽封背部密封的可靠性，辅助密封条还包括设置在汽封挂耳内侧面的O型密封，O型密封内侧开小孔，一旦有高压蒸汽进入，在压差作用下自胀紧，实现良好密封。上述C型密封与O型密封所起作用基本相同，采用了冗余设计的理念，提高密封的可靠性。

为了方便安装调试，上述C型密封分割为多个弧段，每个汽封弧段对应一个C型密封弧段，且C型密封安装槽内侧设置铆接槽，用于固定C型密封弧段。

为了方便安装调试，上述O型密封分割为两个半圆，分别放置在上下汽缸的T型槽内，与汽封挂耳的内侧面压接。

上述高压通汽槽和低压通汽槽一般设置在汽封弧段的周向中间位置，具体形状不限定，只要能分别连通汽封上游和下游，但需保证与T型槽配合形成的通汽槽流通面积至少达50mm²。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封不仅实现了根据汽轮机启停机和正常运行两种状态自动改变密封间隙，而且能实时根据转子的位置自动调整密封间隙，始终保持运行状态密封间隙在设计范围之内，长期保持良好的密封性能，且兼具减小轴系振动幅值的功能，能够全面提高汽轮机运行的安全性和经济性。

附图说明

图1是本发明实施例1汽封在弧形板式弹簧作用下处于张开状态的示意图。

图2是本发明实施例1汽封在压差作用下处于闭合状态的示意图。

图3是本发明实施例1汽封弧段的结构示意图。

图4为本发明实施例1汽封弧段端面局部结构示意图。

图5为本发明实施例1弧形板式弹簧的三视图。

图6为本发明实施例1汽封与汽轮机转子和静子配合的径向断面示意图。

图7为本发明实施例1采用面积法表示的汽封张开状态下闭合力与开启力相对大小示意图。

图8为本发明实施例1高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值不同时沿轴向(蒸汽流动方向)的齿间静压变化趋势图，随着比值增大，闭合力显著减小，而开启力显著增大。

图9为本发明实施例1低压侧汽封齿间隙与闭合合力(闭合力-开启力)的关系图。

图10为为本发明实施例2汽封与汽轮机转子和静子配合的径向断面示意图。

上述各图中，1为汽封弧段，2为转子表面，3为弧形板式弹簧，4为螺钉，5为高压通汽槽，6为低压通汽槽，7为C型密封，8为静子，9为转子，10为O型密封，11为面积法表示的闭合力大小，12为面积法表示的开启力大小；H为高压侧，L为低压侧；F1为闭合力方向(沿转子径向且靠近转子表面的方向)，F2为开启力方向(沿转子径向且远离转子表面的方向)，F3为轴向推力方向(沿转子轴向)，f为摩擦力方向(沿转子径向，靠近或远离转子表面的方向)；a为高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值为2.5/2.3时沿轴向(蒸汽流动方向)的压降趋势线，b为高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值为0.8/0.6时沿轴向(蒸汽流动方向)的压降趋势线，c为高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值为0.4/0.2时沿轴向(蒸汽流动方向)的压降趋势线，d为高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值为0.3/0.1时沿轴向(蒸汽流动方向)的压降趋势线，e为高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值为0.2/0时沿轴向(蒸汽流动方向)的压降趋势线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明做进一步阐明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前堤下所获得的其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-9所示，一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，包括多个汽封弧段、辅助密封条和设在汽封弧段之间的弹簧。汽封弧段上设有多个汽封齿，共8个高齿和16个低齿(合计16个当量齿)，汽封弧段的轴向宽度为104mm；高压侧有5个高齿和12个低齿(合计11个当量齿)，高压侧轴向宽度为72.2mm；低压侧有3个高齿和4个低齿(合计5个当量齿)，低压侧轴向宽度为31.2mm。汽封齿与转子表面配合形成密封间隙，高压侧汽封齿的设计间隙为0.4±0.05mm，低压侧汽封齿的设计间隙为0.2±0.05mm，因此，加工制造阶段，需保证高压侧汽封齿内径比低压侧汽封齿内径大0.4mm(高压侧高齿和低齿分别比低压侧高齿和低齿短0.2mm)；从另一角度表述，不考虑公差时，16个当量齿的设计间隙依次为0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.4-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2。

上述高压侧和低压侧通过辅助密封条阻隔，辅助密封条为C型密封，铆接在汽封脖颈内侧，开口与高压侧相连通，在压差作用下自胀紧，实现良好密封。上述C型密封分割为多个弧段，每个汽封弧段对应一个C型密封弧段。

整圈汽封共6个弧段，故共有6个接缝，每个接缝中间均设置了弧形板式弹簧。为了方便安装调试，弧形板式弹簧卡接在紧邻汽封弧段的端面上，并用螺钉固定，防止脱落。上述弧形板式弹簧接近转子的边沿基本与汽封齿的低齿齐平，由于汽封弧段退让时弹簧也随之退让，因此可保证转子不与弧形板式弹簧碰磨。

在每个汽封弧段的高压侧和低压侧周向中间位置，均设置高压通气槽和低压通汽槽。加工制造时，采用铣削工艺很容易实现，最终成型的通汽槽流通截面约为50×2＝100mm²。

汽封高压侧产生沿转子径向且靠近转子表面的方向的闭合力，低压侧产生沿转子径向且远离转子表面的方向的开启力。上述闭合力和开启力的相对大小主要取决于高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙的比值，当密封间隙较大时，比值接近1，闭合力显著大于开启力；当密封间隙较小时，比值显著增大，如0.3/0.1＝3时，开启力显著大于闭合力。闭合合力等于闭合力减开启力，当闭合合力大于零时，汽封弧段将自动靠近转子表面或产生该趋势；当闭合合力小于零时，汽封弧段将自动远离转子表面或产生该趋势。因此，当汽封弧段在转子径向上受较小的摩擦力、重力(相对小量)等因素影响时，其与转子的相对位置主要取决于闭合力和开启力的相对大小。闭合力和开启力大致相等时，汽封弧段在转子径向上所有受力的合力为零，达到平衡状态，保持位置不变。上述平衡状态只有在特定的密封间隙范围内才能实现。本实施例中，低压侧汽封齿间隙大致为0.15～0.25mm范围内，汽封弧段能处于平衡状态。

当转子由于涡动相对汽封圈偏心时，转子表面将由于压差的作用产生与转子偏心方向相反的径向力，增大轴系阻尼，从而减小振动，提高汽轮机轴系的稳定性。本实施例中，转子涡动量为0.05mm时，可产生超过100kgf的阻尼力，减振效果极为显著。

本实施例部分设计条件和设计结果见表1，设计结果中主要包含了闭合合力(闭合力-开启力)随高压侧汽封齿间隙与低压侧汽封齿间隙比值变化的情况，设计结果绘制成了图9。根据设计结果，汽轮机在进汽前或进汽极小的情况下，汽封主要受弧形板式弹簧的作用而处于张开状态，密封间隙较大；随着汽轮机进汽量和进汽参数的提高，汽封前后压差增大，此时极容易产生较大的闭合合力，克服弹簧的作用力使汽封间隙逐步缩小；一旦汽封处于闭合状态，即使转子受到扰动而振动加大或汽缸变形加大，汽封仍能适应上述变化而自动调整密封间隙，始终悬浮在转子表面，保证极小间隙且永不碰磨。

在汽轮机高中压缸过桥位置应用本实施例汽封，与传统梳齿汽封(密封间隙一般设计为0.75mm左右)设计泄漏量相比，可减少泄漏量50％以上；若与传统梳齿汽封的实际应用效果相比，减小泄漏的幅度较容易达到70％以上，节能潜力巨大。

表1 实施例1部分设计条件和设计结果。

实施例2

如图10所示，与实施例1基本相同，所不同的是：为进一步提高汽封背部密封的可靠性，辅助密封条还包括设置在汽封挂耳内侧面的O型密封，O型密封内侧开小孔，一旦有高压蒸汽进入，在压差作用下自胀紧，实现良好密封。

本实施例中，O型密封分割为两个半圆，分别放置在上下汽缸的T型槽内，与汽封挂耳的内侧面压接。

本实施例中，C型密封与O型密封所起作用基本相同，采用了冗余设计的理念，提高密封的可靠性。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：高压侧汽封齿间隙比低压侧汽封齿间隙大，且高压侧若干汽封齿沿汽流流向密封间隙逐渐缩小，低压侧若干汽封齿沿汽流流向密封间隙保持不变；采用具体数值说明，不考虑公差时，16个当量齿的设计间隙依次为0.65-0.65-0.6-0.6-0.55-0.55-0.5-0.5-0.45-0.45-0.4-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3。

与实施例1相比，本实施例优化了闭合合力(闭合力-开启力)随密封间隙变化的敏感性，其显著优势是降低了加工误差、安调偏差等因素对汽封工作特性的影响。

Claims (7)

1.一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：包括多个汽封弧段、辅助密封条和设在汽封弧段之间的弹簧；汽封弧段上设有汽封齿，所述的汽封齿包括高压侧汽封齿和低压侧汽封齿；辅助密封条上游定义为高压侧，辅助密封条下游定义为低压侧；所述高压侧轴向宽度大于低压侧轴向宽度，所述高压侧汽封齿个数大于低压侧汽封齿个数，且高压侧汽封齿间隙均大于低压侧汽封齿间隙，两者相差0.1～0.8mm，总当量齿个数不少于10个，一个高齿记为一个当量齿，两个高齿之间的低齿也记为一个当量齿，且无论两个高齿之间的低齿有多少个都记为一个当量齿；汽封齿与转子表面配合形成密封间隙，且高压侧若干汽封齿沿汽流流向密封间隙逐渐缩小，低压侧若干汽封齿沿汽流流向密封间隙保持不变；汽封弧段中间位置分别设高压通汽槽和低压通汽槽，汽封弧段背部空腔分别连通高压侧和低压侧，高压蒸汽和低压蒸汽通过辅助密封条阻隔；所述辅助密封条至少包括设置在汽封脖颈内侧面的C型密封，C型密封开口与高压侧相连通。

2.如权利要求1所述的一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：所述的弹簧为螺旋压缩弹簧或弧形板式弹簧。

3.如权利要求2所述的一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：所述的弧形板式弹簧接近转子的边沿与汽封齿的低齿齐平，但不高于低齿。

4.如权利要求1所述的一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：所述C型密封分割为多个弧段，每个汽封弧段对应一个C型密封弧段，且C型密封安装槽内侧设置铆接槽。

5.如权利要求1所述的一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：所述辅助密封条还包括设置在汽封挂耳内侧面的O型密封，O型密封内侧开小孔。

6.如权利要求5所述的一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：所述O型密封分割为两个半圆，分别放置在上下汽缸的T型槽内，与汽封挂耳的内侧面压接。

7.如权利要求1所述的一种具有气体悬浮效应的密封间隙自调整汽封装置，其特征在于：所述汽封弧段沿径向由外圈到内圈包括依次相接的挂耳、脖颈、汽封基体和汽封齿；挂耳与静子T型槽较宽的部分配合，脖颈与静子T型槽较窄的部分配合；汽封弧段背部空腔指挂耳与静子T型槽配合形成汽封弧段背部空腔。