汽轮机低压汽封异常磨损分析及优化

苏鑫海， 谭俊， 谢峰， 刘绪芳， 赵春芳

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

0 引言

汽轮机有静子和转子两大部分。 在汽轮机运行时， 转子高速旋转， 静子固定， 因此转子和静子之间必须保持一定间隙， 不相互摩擦。

引起汽封径向碰摩的因素有很多， 汽缸等部件异常变形、 轴封温度不匹配、 转子弯曲、 安装间隙过小等都会影响动静碰磨， 使汽封存在磨损情况[1]。

本文主要研究探讨了目前深度调峰汽轮机组在部分运行参数偏离设计值过高、 运行工况频繁变化情况下引起汽缸等部件变形导致汽封异常磨损的问题。

1 隔板汽封结构特点及密封原理

1.1 隔板汽封结构特点

汽轮机蒸汽流过汽轮机各级工作时， 压力、温度逐级下降， 在隔板两侧存在压差。 在这个压差的作用下， 会有一部分蒸汽通过动静之间的间隙流走不做功。 隔板汽封的作用就是减少这种蒸汽泄漏， 提高汽轮机运行经济性[2]。 大中型汽轮机应用最广泛的为非接触式曲径汽封。 曲径汽封由多个顺序排列的汽封齿与转子形成环形间隙和汽室所组成[3]。

图1 所示为典型汽封结构。 汽封圈主要包含汽封弹簧、 汽封体、 汽封齿等部件。

图1 隔板汽封结构图

1.2 隔板汽封密封原理

当蒸汽依次流过汽封环形间隙和汽室时， 蒸汽动能在汽封室逐渐转化为压力能， 压力不断降低， 直至汽封后压力。 汽封齿数越多， 间隙越小，漏出的蒸汽量也越小[4]。

在汽轮机启停过程中， 由于过临界转速或其他异常情况的影响， 汽封齿有与转子产生摩擦的可能。

2 隔板汽封异常磨损问题及原因分析

2.1 问题描述

根据某电厂反馈的汽轮机低压缸检修情况，发现低压隔板汽封异常磨损， 磨损量远大于设计间隙。 隔板汽封汽封齿和转子磨损情况见图2。

图2 隔板汽封磨损实物图

现场检查发现隔板汽封左、 右侧和顶部的汽封齿还保留着原设计形状， 有轻微磨损现象。 但底部汽封齿几乎被磨平， 大量铁屑集中在汽封室内， 转子大轴上也有相应磨痕。 根据现场测量数据， 发现底部汽封齿高度比其余方向要低。 该低压缸采用双分流结构， 隔板汽封磨损量由汽缸中部向两端逐渐减小。 该汽封齿设计为正圆， 并没有偏心设计， 可以判断出低压隔板汽封底部汽封齿确实是异常磨损， 磨损量超过设计值， 导致汽封局部失效， 使蒸汽泄漏量增加， 影响机组运行经济性。

2.2 原因分析

一般机组的低压缸为内外缸钢板焊接结构。两端轴承的轴承箱为落地式， 轴端汽封固定在轴承箱上， 低压内缸通过猫爪搭在低压外缸上， 低压外缸落在汽轮机基础上。 这种低压缸设计结构，使得低压转子中心标高稳定， 不会因低压缸真空的变化而变化。 但静子部件在进、 排汽温度发生频繁快速变化容易产生变形， 以猫爪为起始基准的上抬或翘曲。 主要出现在为适应目前电力发展需要的调峰机组。 针对后续越来越多的机组参与快速调峰运行，故有必要针对此类变形进行分析[4]。

这类机组正常运行期间轴振水平良好， 但机组启停频繁且变工况运行多， 再加上如低压缸运行参数较高的情况下，容易进一步导致低压内缸等静子部件的变形上抬，使低压隔板汽封出现磨损。

3 低压内缸有限元模拟分析

3.1 低压内缸结构

该机组低压缸内缸采用钢板焊接结构， 内缸本体为圆筒设计。 在汽缸下半设置有猫爪支撑结构， 搭在外缸上， 支持整个内缸和所有隔板的重量， 如图 3 所示。

图3 低压内缸支撑示意图

3.2 低压内缸有限元模拟分析

根据调峰机组频繁启停以及运行参数偏高对低压内缸的影响， 模拟边界条件对内缸进行有限元计算分析， 结果显示汽缸中分面处的天地方向有变形情况。 考虑机组安装、 运行因素， 该计算结果与机组实际运行时汽封磨损量比较吻合。 由于布置需要， 汽缸上下半支撑结构不完全对称，结构刚性存在差异， 机组实际运行时汽缸存在上下半变形差异， 在频繁启停工况下变形累积加剧，同时在连通管等外部推力作用下导致低压内缸的翘曲变形。 汽缸变形上抬后， 使隔板汽封与转子底部间隙变小， 甚至间隙消失， 最终使汽封齿过度磨损。

4 低压内缸结构优化及效果分析

根据上述分析结果， 分别采取加强上半汽缸支撑结构和减弱汽缸下半支撑结构的方案进行有限元模拟分析[5]。

上半汽缸支撑结构加强方案见图4。

图4 低压缸上半支撑结构加强方案示意图

通过上半支撑结构加强， 加强方案是将上半支撑结构设计成与下半一样， 汽缸中分面天地方向变形情况得到改善。

下半汽缸支撑结构减小刚性方案是在保证下半汽缸支撑结构有足够强度基础上进行局部切除处理， 见图 5～6。

图5 低压缸下半支撑结构刚性减小方案一

图6 低压缸下半支撑结构刚性减小方案二

分别对图5～6 低压缸下半支撑结构刚性减小方案进行有限元模拟分析。 计算结果显示， 若下半汽缸支撑结构刚性越弱， 汽缸中分面上抬变形量越小。

对比各低压内缸结构优化方案有限元模拟分析结果， 通过加强上半刚度或减小下半缸刚度均能有效减小汽缸中分面上抬的变形值。 上下半汽缸刚度越趋于一致， 变形量越小。

5 结论

由上述分析结果可知： 针对参与快速调峰频繁变工况运行的汽轮机， 低压内缸上下半结构刚性不一致更容易出现汽缸变形翘曲的情况。 汽缸变形导致隔板汽封与转子间隙变小， 甚至间隙消失， 最终使汽封齿过度磨损。

对频繁变工况启停的调峰汽轮机， 汽缸结构设计时应尽量做到上下半刚性的合理匹配， 合理选择汽封型式和间隙， 使汽缸动静变形协调， 减小对汽封间隙的影响， 提高汽封密封效果， 保证机组安全性和经济性[6]。