蒋启东

一、前言

汽轮机正常运行时由于主轴穿出汽缸处，存在径向间隙，在压差作用下，高压端或高压缸两端汽缸内的蒸汽会向外泄漏，同时低压端或低压缸的两侧空气会漏入汽缸。轴封漏汽不仅使机组汽耗增大、真空降低，而且易使汽轮机润滑油中带水，严重影响机组经济和安全运行。

10号机组是东方汽轮机厂生产的高中压合缸、两缸两排气、单轴、冲动式、凝汽式的 N300-16.7（170）-537/537-4型亚临界汽轮机。为两缸两排汽型式，高中压部分采用合缸结构。高中压外缸前后是一个完整的汽封系统，本机组采用自密封系统密封高中压缸内蒸汽，防止蒸汽向缸外泄漏，同时，也防止空气沿轴端进入破坏汽轮机真空。高中压外缸两端部装有轴封，内缸的进汽端装有高中压间汽封，都采用高低齿梳齿式汽封。2012年2月对10号机组高中压缸进行了高中压后端轴封、高中压间轴封改造，将梳齿汽封改为双齿尖侧齿汽封。

1.梳齿汽封原理

梳齿汽封是由许多尖齿和两齿之间的环形汽室组成，如图1所示。汽封齿有高有低，正好和轴套上的高低台阶相对应，这种汽封又称为曲径汽封或迷宫汽封。

可把汽封看成是由许多狭小通道及相间的小室串联而成的，从侧面看去，即为许多环形孔口和环形汽室。蒸汽从高压侧流向低压侧。当蒸汽通过环形孔口时，由于通流面积变小，蒸汽流速增大，压力降低，例如，流过图1中的第一孔口时，压力由 P0降到 P1，比焓值由ha=h0降为hb。当蒸汽进入环形汽室E时，通流面积突然变大，流速降低，汽流转向，产生涡流，蒸汽流速近似降到零，但压力P1不变，蒸汽原来具有的动能变成热能，重新加到蒸汽中去。轴封中蒸汽的散热量与汽流的总热量相比很小，可以忽略，故蒸汽的比焓值应由hb恢复到he，即恢复到原来的数值h0，比熵值由Sb增大到Sc，如图2所示。蒸汽依次通过各轴封片时都发生这样的过程。由此可见各处压力依次减小 p0＞p1＞p2＞…＞pZ，而 h0=ha=hC=he=…=hZ。

如果近似认为各轴封孔口的环形漏气面积A1都相等，而且通过各孔口的蒸汽流量ΔG1相同，则各孔口均有ΔGl=PA1cxρx或ΔG1/PA1=cxρx=常数。式中ΔG1为蒸汽流量，P为蒸汽压力，A1为轴封漏汽面积，cx为蒸汽流速，ρx为蒸汽密度。

蒸汽依次流过各轴封片时不断膨胀，蒸汽密度ρx不断减小，在ΔG1和A1不变的条件下，由式（3）可见蒸汽流速 cx必然逐渐增大。也就是说，任何一片轴封孔口的汽流速度必然比前一片孔口的流速大，而比下一片孔口的流速小。由于流速大时比焓降也大，故任何一片轴封孔口的比焓降必然比前一片孔口的比焓降大，而比下一片孔口的比焓降小，也就是图2中所示的：ab＜cd＜ef＜...。曲线bdfh称为等流量曲线，或称芬诺曲线。

由ΔGl=PA1cxρx可知，为减少轴封漏汽量，可以减少漏汽面积A1，即减少漏汽间隙δ。但δ太小，会发生汽封齿与轴之间的摩擦，引起事故，故δ一般在0.35～0.5mm，汽封齿越多（超过临界值就不行了），每个齿分担的压降就越小，这就是梳齿汽封能减少漏汽的原因。

2.双齿尖侧齿汽封原理

侧齿式汽封与传统汽封外形相同，是在传统迷宫汽封基础上采用特殊工艺使汽封齿的侧面具有细小的侧向齿（图3）。这样会产生热力学效应和加大摩阻效应，杜绝透气效应，使汽体在侧齿迷宫腔里的涡流动能转化为热能的过程更彻底，密封效果可提高72%以上，侧齿结构还可减少环内气隙流动、减少对轴振的影响。为避免胀差异常可能引起的高齿轴向碰磨，其中高齿仍采用原有的单齿尖结构，齿宽与齿尖宽与原汽封相同；低齿改造为双齿尖结构，齿宽1.5mm，齿尖宽0.25mm，同时在高低齿的一侧加工1-2道横齿，齿尖采用高效、低泄漏流量系数的尖齿，齿尖夹角为8°。

方程 Δqm=Ac/V，Δqm为蒸汽漏汽质量流量（ kg/s）；A 为轴封漏汽环形面积（m2）；c为蒸汽流速（m/s）；V为蒸汽比体积（m3/kg）。在环形面积不变的情况下，减少漏汽量的另一方法是降低蒸汽的流速c，蒸汽流过齿隙的流速越小，漏汽量也就越小。侧齿汽封除具有迷宫汽封节流过程以外，另外还加上涡街阻汽过程。涡街阻汽过程是在汽室内部人为增加沟槽及障碍物，使蒸汽产生小涡流形成涡街。蒸汽进入汽封齿后面的汽室，产生具有动能的涡街并相互碰撞摩擦，使动能全部消耗转化为热能，蒸汽流速转化为涡街流速，一方面使流出汽室的汽流速度最低，另一方面使外部高压蒸汽进入汽室能力降低。这即是侧齿汽封的主要工作原理，也是侧齿汽封性能优于梳齿汽封的原因（图4）。

3.梳齿与双齿尖侧齿汽封对比分析

根据参考文献1，采用侧齿汽封漏汽量可减少28.39%，侧齿汽封阻汽效果明显。此外，采用双齿尖侧齿汽封的主要优越性在于：①安全，同种材料，相同外型尺寸，属于传统迷宫汽封的改良。②新的内部结构设计理念，保持原迷宫汽封的稳定可靠性。③侧齿由特殊工艺在汽封体上加工而成，为一有机整体，安全可靠。④轴向空间有限，侧齿汽封等于在相同的轴向空间内多加了几道密封齿，气流在腔室内的状态呈紊流现象，起到很好的截流作用，能量转换更彻底，密封效率更高。⑤传统安装方式，无需培训。

二、改造前后效果对比

高压后轴封汽封圈共有11圈，其中1#汽封套5圈，2#汽封套3圈，3#汽封套3圈；高中压间轴封共有11圈，其中1#汽封套8圈，2#汽封套3圈；中压后轴封8圈，其中1#汽封套5圈，2#汽封套3圈。共计30圈，改造成双齿尖侧齿汽封。

改造前，高中压缸中压后轴封向外漏汽严重，汽轮机润滑油油中带水现象也日趋严重，油中含水量达到8038mg/L，远远超过标准100mg/L，滤油机每天长期运行。虽然经过多次对轴封压力进行调整，对轴承座气密性油挡进行气压调整，但效果不大。10号机260MW顺序阀工况下试验的热耗率为8329.1kJ/（kW·h），经过一类修正后的热耗率为8476.3kJ/（kW·h），二类修正后的热耗率为8520.8kJ/（kW·h）。260MW顺序阀工况时测得高压缸效率为80.19%。

改造后，化验透平油含水58.74mg/L，低于标准100mg/L。10号机270MW顺序阀工况下试验的热耗率为8219.7kJ/（kW·h），经过一类修正后的热耗率为8366.9kJ/（kW·h），二类修正后的热耗率为8367.7kJ/（kW·h）。260MW顺序阀工况时测得高压缸效率为84.42%。

改造后10号机组运行至今，所有指标均无变化，高压缸效率比改造前提高了4.23%，热耗率比改造前降低了153.1kJ/（kW·h），相当于降低供电煤耗2.86g/（kW·h），汽轮机油含水量指标一直合格。

1 刘网扣，张兆鹤.侧齿汽封的研究与应用[C].大机组供热改造与优化运行技术2010年会.2010

W13.03-31