利用带整流栅的刷子汽封降低汽轮机振动并提高效率

纪亲礼

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

0 引言

通过减少通流损失可最大程度地提高汽轮机出力和效率。用新型、伸缩型刷子轴封和刷子型围带汽封来替换原来的迷宫式轴封和级间汽封，可以减小间隙值和级间漏汽，并且不会引起转子或叶顶碰磨。但如果汽封的设计不合理，就会导致不应有的振动，使汽轮机得不到优化利用。对正在改造的汽轮机进行模拟并确定正确的汽封和支持轴承组件，可在降低转子振动的同时提高汽轮机效率。

1 振动带来的问题

众所周知，高压汽轮机中的迷宫式汽封会产生力的梯度，使转子在运行时发生不稳定现象。这种力的梯度通常发生在多齿的迷宫汽封扼流腔室之间。其作用正好与支持轴承的稳定阻尼力相反，并且受到很多因素的影响。

主轴和刷毛之间的径向间隙会改变汽封的失稳力。如果刷毛与转轴接触，那么其失稳力就会小于原汽封配置时的失稳力；如果由于运行中转子失中或汽缸变形造成刷毛磨损，就会导致间隙扩大，使该处压力升高。出于此原因，建议在假设"最坏"的刷毛间隙情况下，来分析带有刷子汽封的迷宫汽封环。虽然这种假设是保守的，但是却能确保其结构在任何磨损情况下均是稳定的。

汽封间隙、旋流速度以及支持轴承的设计都会影响到振动程度。最理想的是：汽封具有最小的安全间隙值，从而获得最高的效率。如果这样会导致迷宫汽封腔室内的压力过大以及不应有的振动，往往可以通过增加整流栅或改变支持轴承来缓解这种现象。

蒸汽旋流主要源自于转子旋转、通过喷嘴的汽流以及动叶片出汽边的作用。明显的旋流速度在汽轮机的设计中是固有的，并会导致机组效率降低。

已经对降低旋流采取了措施，但是在非设计条件下运行时，由于磨损和腐蚀仍会增加旋流速度。

旋流速度是引起同步振动的主要原因。鉴于要使汽轮机返回到完全符合设计规范通常是不可行的或是不可能的，因此解决的措施之一就是直接在迷宫汽封前增设一个整流栅（或称之为“防旋流环”）。这些整流栅与转子轴线成45°角，使蒸汽进入汽封时减小其圆周速度。如果旋流速度为0，则转子稳定，振动降低。

2 汽轮机的模拟

在评估是否需要安装刷子汽封，或在寻求解决转子振动问题的措施时，用户应对潜在的振动源及其缓解方法进行彻底的分析。这涉及到利用设计数据，建立一个转子和通流部分的计算机模型。还要求研究热平衡，以便确定内部压力和各级载荷。尽管汽轮机的现行运行条件由于磨损和腐蚀而与设计数据有所区别，但是利用这些数据足以建立模拟。到了现场安装新汽封、整流栅或轴承时，任何差别都可以得到弥补。

一旦建立了模型，就可以通过模拟来显示不同类型汽封和轴承的效果。作用在转子上的各种有效的、相互耦合的力的梯度，会引起转子的不稳定。这种相互耦合的力的梯度或由油膜的流体动力造成，或由通流部分的气动力造成。利用转子系统的刚性、质量和减振性能可以算出减振特征值和振型。

当转子在接近于额定转速下运行并且汽轮机的负荷达到最大时，转子会发生失稳性。这是一阶临界振型，会引起不稳定现象。这时可以通过计算预期的汽轮机的气动相互耦合刚性值以及一阶临界振型的特征值进行分析。可以对预期的各种不同相互耦合刚性值反复进行多次这种计算，以反映出转子系统对气动失稳力的灵敏度。

在整个行业里有关转子的稳定性方面，除了规定转子必须在所有运行工况下具有稳定性以外，并没有其它具体的要求。一个合理的设计标准是：会由汽封压力诱发导致失稳的一阶临界振型必须是预期失稳梯度的2 倍。这种最小稳定性相对于2.0 的安全系数，或称为100%的稳定性裕度。一台机组在刚刚达到100%负荷时就开始失稳，其稳定性裕度为0%。

在使用不同类型的轴承、轴封和围带汽封进行一系列模拟后，就可以为特定机组确定其最佳的组合。因此，无论是对具有振动问题的机组，还是对希望提高其效率、但不增加其失稳性的机组，都能找到解决的办法。

3 结语

高压和中压所有各级均使用的汽封片，最终配置的汽封稳定性裕度为100%。此稳定性裕度已考虑到最坏的情况，也就是考虑到在汽轮机定期大修间隔期内，刷子汽封受到磨损的情况。所谓100%的稳定性裕度，就是说与原来的汽封配置相比，实际上提高了125 个百分点。