摘要：汽轮机的静子与转子之间有着各种汽封，包括轴端汽封、平衡活塞汽封、隔板汽封、叶顶汽封等。各种汽封的漏汽损失，造成汽轮机效率的下降总计约占3~4％。了解和掌握各种汽封的密封性能，开发应用新型汽封结构，减少漏汽损失，提高汽轮机效率，在重视节能节耗的今日已成为人们普遍关心及急待解决的事。
关键词：汽轮机；汽封漏汽；试验
引言：
本文介绍了在汽轮机汽封设计中使用的设计原理及汽封漏汽流量系数的计算公式,介绍了目前在汽轮机中大量使用的2种汽封结构——5齿平齿汽封和5齿高低齿汽封的气动试验结果。通过分析比较试验和计算结果可知,目前工程上使用的汽封漏汽流量系数的计算公式,应根据不同汽封的结构形式、结构参数加以修正,才能得到较准确的汽封漏汽流量系数,从而更好地为汽封设计提供依据。
1 汽封工作原理及漏气量计算
常用的汽封为齿形汽封,齿尖处的径向间隙很小(图 1),一般为0.5mm左右。气体经过第一个齿与轴之间的间隙时,获得一定的速度。由于两齿轴向之间有较大的空间,气体的动能在空间内消失,转变成热能。这样,气体经过第一个齿尖间隙后,压力由P0下降至P1 (图 2)。这一过程可近似看作节流过程,气体的总焓保持不变。气体经过其余各齿尖间隙的热力过程与经过第一齿尖间隙时一样,只是焓降越来越大,齿尖处的速度c相应地增加。由于通过每一齿尖间隙的气体流量G不变,间隙面积F1=πd1δ和F2=πd2δ大致相等(F1≈F2=F),根据连续性方程可知,随着压力的逐渐下降,密度相应地缩小,齿尖间隙内的气体速度逐渐增加。
图1 齿形汽封图
蒸汽在汽封中的流动被视作为一个节流过程,以及各齿隙被认为是一个收缩形的通道。这样,气流在齿隙中流动的最大速度是临界速度,且临界速度只能在最末齿隙出口才能达到。在此基础上,可推导出末齿未达到临界速度及达到临界速度的漏汽量计算式、临界状态判别式。
图2 迷宫汽封的热力过程(芬诺曲线)
2 汽封试验装置
转子为悬臂结构,汽缸内径900mm,叶轮最大宽度120mm。转子采用滚动轴承,脂润滑。转子由交流异步电机(17kW)直接带动,为使转速可调,配有变频器。试验转子与电机转子间采用单挠性联轴器联接。气源由20m³、1.6MPa贮气罐,1.6MPa、7.5m³/h二级活塞压缩机,出口调压系统等构成。试验中主要测量的参数为大气压、大气温度、流量、转速、汽封前总压、总温、汽封后静压等。流量采用气体涡轮流量计测量。根据不同汽封及不同间隙、压比下的漏气量预算,可选用不同的流量计。现装置配有二种规格,其型号、量程、精度如下:
(1)型号:LWGQ-200APC1/NE,最大流量1700Nm³/h,最小流量170Nm³/h,测量精度0.5%。
(2)型号:LWGQ-100APC1/NE,最大流量510Nm³/h,最小流量51Nm³/h,测量精度0.5%。各流量计配有AE-LK80流量计算机,流量计的转速频率可转换成模拟量,数字显示流量瞬时值及积分量。其精度为频率转换±1脉冲,一般优于0.2%。带动转子的交流异步电机型号为JO262-2,N=17kW,n=2970r/min。电动机由YTD-G系列通用型变频器控制转速,变频器型号为YTD-18.5G4T1C,频率输出范围0～400Hz,频率分辨率0.01Hz。根据电机的输入电频率与转速的关系,得到转子转速。汽封前壁面静压的测量采用精密压力表。针对汽封前后压比的不同,分别采用如下精密压力表的型号、测量范围及精确度等级:
(1)型号YB-251,测量范围(表压):0～0.16MPa,精确度等级0.25
(2)型号YB-251,测量范围(表压):0～0.4MPa,精确度等级0.25温度测量采用0.2级0.1℃刻度-20～+30℃水银温度计。大气压测量采用大气压力表。管道中的压力采用单点测量壁面静压。汽封体前后的压力采用沿静止件周向4点均布测量壁面静压值
3 常规汽封的试验结果
对汽轮机常用的高低齿及平齿进行了变齿隙、变压比、变转速的试验。试验汽封的主要几何特性参数(设计值)。试验叶轮的外径约为488mm,汽封环体为上下两半结构、整圈加工而成。对高低齿的试验件,流量系数按下式计算。
(1)在高低齿压比约>0.4、平齿的压比试验范围内,流量系数随压比的变化近似呈水平的线性变化。对不同齿形或同一齿形的不同齿隙的试验结果表明,其直线的斜率略有不同,斜率有时为正,有时为负。压比πz<0.4时流量系数随压比的减小明显上升。计算,8齿的临界压比为0.274,当πz小于此值至最小试验压比0.22之间,流量系数继续上升。空气的第二临界压比为0.037。汽轮机的轴端汽封、平衡活塞汽封、一组汽封的压比常常处于小于0.4的状态下。
(2)转速(或圆周速度)对流量系数有一定影响,随转速(或圆周速度)的提高流量系数是下降的。其斜率约为-3×10-4(1/m/s)。
(3)流量系数随相对齿隙的变化,对高低齿为一下凹曲线,当δ/Δ大于某一值时,流量系数几乎没有变化。对于平齿随相对齿隙的增大,流量系数近似呈线性增大。由于小齿隙下,流量系数较小,平齿的修正系数Kp呈低齿隙齿距比时为下凹曲线,较高齿隙齿距比时为上凸曲线。
(4)试验曲线与常用的试验曲线有一定差别,对平齿,Kp的曲线形状都有差别。事实上,流量系数与齿数为1/z的关系也是值得探讨的,高低齿变齿数的试验表明齿数越多,流量系数是增加的。
汽轮机汽封系统漏汽问题的改进措施
调整汽封间隙,靠近轴承侧汽封间隙为0.4mm,靠近叶轮侧汽封间隙为0.6mm,高压缸前汽封的1段汽封(在内缸上),为防止磨轴,汽封间隙为1mm。汽封系统各段抽汽管流速必须控制在30~50米/秒。汽封系统的轴封送汽及轴封抽汽管道蒸汽流速控制在30米/秒以下。高中压轴封送汽及抽汽管直径不小于Dg70,低压轴封送汽及抽汽管直径不小于Dg80。
轴封送汽及轴封抽汽管道上(在10米平台处)接监视压力表,在轴封送汽各分管上接截止阀,便于运行中操作控制。在新机组设计时,汽封系统各段抽汽管的直径选择原则,按额定工况下各段汽封漏汽量的1.3倍考虑(主要考虑汽轮机汽封系统动静部分运行中可能发生碰磨,而造成汽封间隙的加大)。汽封冷却器的冷却面积选择,按汽轮机额定工况下汽封漏汽量的1.5倍考虑。严格控制轴承箱负压,防止蒸汽吸到润滑系统中,轴承箱负压为10~15mm水柱。
结束语：
对二种常用汽封的变齿隙、变压比、变转速下的漏气试验表明，漏汽量与汽封几何参数、工况参数的关系中流量系数不是一个常数。因此，也产生了各种对各参数进行修正的漏汽量计算式，但这些计算式也受一定条件的限制，不具有普遍意义。试验证明流量系数基本能反映其计算式中包含的各物理量的变化，但也反映出在压比、转速(或圆周速度)、齿数、汽封齿类犁等变化中，其值不是一个常数，有时还相差很大，如低压比、齿数的多少等。为此针对目前汽轮机中常规采用的汽封进行各参数变化的试验研究是十分必要的，也是采用各种新型汽封代替现常规汽封的基础。
参考文献：
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[2]陈洪敏.汽轮机汽封的节能改造[J].南通纺织职业技术学院学报.2014(04)
[3]王学栋,郝玉振,董洋.汽轮机汽封改造的节能效果分析[J].山东电力技术.2014(06)
论文作者:张树纲
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：流量论文; 汽轮机论文; 系数论文; 间隙论文; 转速论文; 测量论文; 转子论文; 《电力设备》2018年第32期论文;