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        蜂窩密封技術(shù)在汽輪發(fā)電機(jī)組改造中的應(yīng)用

        2020-06-28 09:38:56王玉國
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年8期
        關(guān)鍵詞:汽封梳齒蜂窩

        王玉國

        (河鋼集團(tuán)宣鋼公司設(shè)備能源部,河北 張家口 075100)

        0 引言

        設(shè)備能源部門中的汽輪發(fā)電機(jī)組采用迷宮式和鑲嵌齒片的密封模式,隨著機(jī)組運(yùn)行時間的增加,它的前軸封磨損越發(fā)劇烈,并發(fā)生了相當(dāng)嚴(yán)重的漏氣,這種漏氣會導(dǎo)致軸承磨損,為了解決這一問題,不得不將風(fēng)機(jī)安放在合適的位置,這使得該處溫度高,崗位人員無法對前軸承進(jìn)行正常點(diǎn)檢。而4#汽輪發(fā)電機(jī)在進(jìn)行蜂窩密封改造后,有效阻止了蒸汽的對外泄漏,減少了耗汽,保證了機(jī)組的真空度。

        1 立項背景

        設(shè)備能源部發(fā)電機(jī)組的梳齒型密封結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示,其存在以下3 種弊端。

        圖1 梳齒式密封結(jié)構(gòu)簡圖

        1.1 密封性差

        汽輪機(jī)在啟機(jī)過程中,一系列的問題會導(dǎo)致磨損,并最終導(dǎo)致密封效果變差,而密封效果變差或失去了密封的作用,會導(dǎo)致機(jī)組效率降低、油中帶水和真空難保等問題發(fā)生。

        1.2 易引起工程故障

        起停機(jī)過程中,由于脹差增大,溫度和長度在軸加熱段都得到了增長,軸向長度(軸的)也得到了增大,同時增大的還有膨脹差,軸上的凸臺或嵌齒件與軸封短齒發(fā)生相對位移時,會造成一些工程故障現(xiàn)象。如果壓蓋的長齒與軸上的槽摩擦,可能導(dǎo)致軸局部過熱、大軸彎曲,機(jī)組的安全就會受到嚴(yán)重威脅。

        1.3 易引起氣流激振

        梳狀密封環(huán)腔的不均勻性是汽流激勵的來源。目前的技術(shù)很難解決可能會發(fā)生的轉(zhuǎn)子氣流激振,在這種情況下,機(jī)組如何安全運(yùn)行就成了一個難題。

        上述弊端也是梳齒式汽封天然的缺陷,設(shè)備能源部4#C12-3.43/0.98 型汽輪機(jī)組目前便存在油中進(jìn)水嚴(yán)重的問題。通過以上分析可以看出,對汽輪機(jī)組的汽封結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行改造極其必要。

        2 總體思路

        本著理論實(shí)踐互相結(jié)合互相補(bǔ)充的原則,我們將對機(jī)組進(jìn)行改造。主要包括2 個方面。1)將傳統(tǒng)的密封模式改成蜂窩型密封模式。2)對傳統(tǒng)的油檔進(jìn)行更改設(shè)計,解決油里面有水的問題。

        改造原則:對汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子來說,如果是凹凸臺,就不變。如果是氣封環(huán),就進(jìn)行傳統(tǒng)—蜂窩的改動,并取掉轉(zhuǎn)子軸封的高低齒,并將密封模式進(jìn)一步改為可微調(diào)的形式。

        3 技術(shù)方案

        汽輪機(jī)軸封由傳統(tǒng)梳齒(拉別令)密封改為蜂窩密封。

        3.1 拉別令密封形式與蜂窩密封形式利弊分析

        拉別令密封是廣泛但原始的密封結(jié)構(gòu),雖然價格低廉,但低廉往往伴隨著缺陷多。

        3.1.1 密封性差

        由于較少的齒數(shù),所以會導(dǎo)致嚴(yán)重的泄露。并且這種結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致較大的磨損,密封間隙可能不符合標(biāo)準(zhǔn)。

        3.1.2 易引起氣流激振

        “J”形的形狀結(jié)構(gòu)是拉別令結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模式,在這種模式下一個環(huán)形的腔室存在于其中,在機(jī)組運(yùn)行時,強(qiáng)旋氣流會在這個空腔中形成。橢圓形的轉(zhuǎn)子軌跡必然會導(dǎo)致氣動問題,導(dǎo)致氣流激振,進(jìn)一步產(chǎn)生機(jī)組振動。

        經(jīng)過長期的探索研究,已證實(shí)密封中流體誘導(dǎo)力引起的自激振動是引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的主要原因之一。

        一般來說,轉(zhuǎn)子在密封的空腔中,如果其位置出現(xiàn)了偏置,密封周圍的不均勻的壓力分布,有時會引起密封中流體的激振力。由于密封空腔的流體形成了一定的旋度,周向壓力布局的變化與轉(zhuǎn)子和閉空腔之間的間隙變化不完全一致。這樣,作用于轉(zhuǎn)子的力就可以擴(kuò)散到垂直于偏差方向的切線力,從而激勵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動。如果激勵力持續(xù)上升,以至于達(dá)到了一個特定的值或超過這個特定的值,轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的異同步振動。一般認(rèn)為,這時需要增大系統(tǒng)的阻尼,并降低切向速度,實(shí)現(xiàn)上述目的的一個有效手段便是蜂窩密封。蜂窩密封的阻尼超過了傳統(tǒng)迷宮式密封的5 倍以上[1]。

        3.1.3 檢修煩瑣

        目前4#發(fā)電機(jī)上所裝的拉別令密封一旦損壞,需揭缸更換,時間大約為15 d(含機(jī)組冷卻時間)。如果堅持運(yùn)行,則會造成機(jī)組汽耗升高,運(yùn)行成本增加,與現(xiàn)有生產(chǎn)形式格格不入。

        3.2 新型FW 蜂窩式密封技術(shù)

        蜂窩密封在非接觸的密封模式中,既安全,又有效。這種密封是由0.05 mm~0.10 mm 厚的鎳基耐高溫合金防銹金屬片制成的蜂窩帶,具有蜂窩狀的六角形孔結(jié)構(gòu)。蜂窩帶通過真空釬焊技術(shù)焊接在壓蓋環(huán)的主體上,形成蜂窩密封。它的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)密封無可比擬的。

        在密封原理上,蜂窩式密封優(yōu)于梳齒式密封,因為它具有更加先進(jìn)的密封原理。對于蜂窩型密封來說,其在原有的梳齒狀密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成了氣流阻尼齒,其齒數(shù)還比原來的更多。同時,特殊的蜂窩腔使得當(dāng)軸向漏風(fēng)進(jìn)入密封腔時,會充滿一個蜂窩狀的孔,孔的根部與環(huán)體釬焊在一起,無處可去。積聚在小孔中的氣體必須對來自頭部的氣體有很強(qiáng)的阻擋作用,因此,蜂窩密封在原理上比梳狀密封具有更先進(jìn)的密封原理。蜂窩密封或帶彈簧的可調(diào)密封,可有效減少密封與軸之間的摩擦,便于調(diào)整密封間隙。這種新型密封可以克服原有梳齒式密封在機(jī)組運(yùn)行一段時間后容易失去密封功能的問題[2]。蜂窩帶材料為進(jìn)口哈氏鎳基耐高溫合金。原梳狀蒸汽密封的材料是鐵氧體。在實(shí)驗室試驗中,在相同的壓力、轉(zhuǎn)速、表面粗糙度和軸徑硬度下,將蜂窩型汽封與鐵氧體梳狀汽封進(jìn)行了比較。使用壽命方面前者是后者的2.5倍,對軸徑表面的摩擦阻尼:后者是前者的1.4 倍。對軸徑表面的摩擦損傷程度:后者是前者的6 倍。穩(wěn)定性更好,在2 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下,具有一般的振幅影響。蜂窩帶比較柔軟,產(chǎn)生了更小的密封間隙,這使得其密封性能更出色。蜂窩密封的蜂窩帶釬焊在與原迷宮密封相鄰的高齒中間,尺寸較大。軸上的凸臺總是朝向蜂窩帶,不會有“脫落”現(xiàn)象發(fā)生。保持了良好的密封間隙[3]。

        3.3 工藝操作和改造方法

        不必改變原有的轉(zhuǎn)子、汽封等結(jié)構(gòu),直接將原來的傳統(tǒng)密封改成蜂窩密封就行。將原來的梳齒密封改為蜂窩密封的設(shè)計原則,保持密封環(huán)的高齒和其與轉(zhuǎn)子的相對位置不變,只將密封環(huán)的低齒部分改為蜂窩帶結(jié)構(gòu)。安裝間隙應(yīng)符合裝置的設(shè)計要求。改造后的前后密封示意圖如圖2 所示,圖3所示。

        4 實(shí)施效果

        經(jīng)過新型蜂窩密封的改造后,宣鋼設(shè)備能源部4#汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行半年多來未出現(xiàn)漏油、運(yùn)行不穩(wěn)定的問題,改造效果比較明顯。

        明顯減少了機(jī)組的泄漏損失,有效提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。對機(jī)組的運(yùn)行過程進(jìn)行了檢測,在整個運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)子的運(yùn)行十分穩(wěn)定,沒有發(fā)現(xiàn)氣流激振的存在。油擋和密封件的使用壽命得到了增加,在一個大修周期中,沒有發(fā)現(xiàn)密封和油擋的損壞,這表示壽命在了一個大修周期以上,大大減少了停機(jī)維護(hù)、更換時壽件的成本。杜絕了漏油、漏汽。改造后的汽輪機(jī)組在今后的檢修時,就不用外送進(jìn)行“J”形齒鑲封,更不用因嵌入了新的“J”形齒而需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡試驗,改造前汽輪機(jī)組的這些檢修工序是相當(dāng)漫長并且技術(shù)要求是很精細(xì)的。在改造活動結(jié)束后,檢修的時間得到極大地縮短,技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度得到了極大地降低。這樣一來,進(jìn)一步縮減了成本。

        圖2 改造后前密封示意圖

        圖 3 改造后后密封示意圖

        5 結(jié)論

        新型密封技術(shù)即蜂窩型密封的應(yīng)用以及改造,減少了機(jī)組的泄漏,極大地改善了工作環(huán)境,降低了成本,還節(jié)約了能源,減少了電力購買的費(fèi)用,提高了自我發(fā)電的總量??傊?,這項技術(shù)的改造與應(yīng)用,標(biāo)志著能源動力部門的技術(shù)進(jìn)步取得了更大的成就,為以后進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)水平,進(jìn)一步節(jié)約成本奠定了基礎(chǔ)。

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