50MW汽轮机轴端汽封改造

莱钢科技　２０１１年４月　

５０　ＭＷ汽轮机轴端汽封改造　

曹志军，曹西忠，高洪军，王　站，冯慧平　

（能源动力厂）　

摘　要：针对５０　ＭＷ汽轮机轴端汽封漏汽（气）严重的问题，首次在汽轮机高压、低压端部轴　

封中采用新型蜂窝式汽封，对消除漏汽（气），提高汽轮机真空系统严密性以及提高机组运行　

安全性起到了较好的作用。　

关键词：汽轮机梳齿汽封真空系统蜂窝式汽封　

０前言　

莱钢能源动力厂５０　ＭＶ￣高温高压汽轮机于　

２００７年投产发电，为青汽生产的第４台５０　ＭＷ机　

组，其高、低压轴封以及隔板、叶顶汽封全部采用梳　

齿式汽封，由于机组设计不完善、运行负荷调整频繁　

等影响，一直存在间隙大，经济性差，易磨轴的缺陷，　

同时轴封漏汽还造成油中带水、真空降低等问题。　

尤其是机组采用低压透平油电调系统，调速系统用　

油与润滑油为同一油源，油中带水将严重威胁调速　

系统安全运行。因此对汽轮机高、低压轴封进行改　

造尤为必要。结合中修，采用先进的蜂窝式汽封对　

汽封进行了改造，运行实践表明应用新型汽封后汽　

轮机运行安全性、经济性都显著提高。　

１　梳齿式汽封与蜂窝汽封的比较　

１．１梳齿式汽封结构、特点　

梳齿式汽封的密封机理为通过逐步扩容增加阻　

尼来达到减少和防止蒸汽泄漏及空气漏人汽缸的作　

用。每圈汽封分成六个汽封块，每个汽封块的背部　装有两个弹簧，弹簧将汽封块呈弹性的压向汽轮机　

转子，使得汽封齿与转子轴径向间隙保持最小值，通　

常为０．６～０．９２５　Ｉｎｍ，以防止蒸汽外漏，造成油中　

水。　

在实际运行中，由于汽封弧段、弹簧长期处于高　

温高压的蒸汽中，工作环境恶劣，本身的材质等一系　

列问题的存在，在检修中容易发生汽封弧段被结垢　

卡死，弹簧片弹性不良、失效；造成汽封间隙发生变　

作者简介：曹志军（１９８２一），男，２００６年毕业于山东科技大学热能与　动力工程专业。助理工程师，主要从事热动机械技术管理工作。　化。特别是汽轮机在启停过程中，由于汽缸内外不　

均匀受热而产生的变形，或过临界转速时，转子振幅　

较大等原因，均可能导致转子与汽封齿发生局部摩　

擦，这种摩擦使转子发生瞬时弯曲现象，进一步加剧　

了动静摩擦。这样汽轮机启动后，就不一定能保持　

汽封设计中所规定并在安装时已调整好的汽封间　

隙，从而导致蒸汽不正常泄漏损失。　

图１　普通梳齿式汽封示意　此外梳齿密封在小间隙时蒸汽流经汽封时其螺　

旋气流周向速度分量易引起轴振。　

从汽轮机轴激振原因分析示意图（图２）可　

见，当蒸汽经过梳齿轴封时气流形成螺旋状，分解　

后形成轴向以及周向的两个运动分量，其中周向运　

动分量由于轴封问隙的影响会形成对汽轮机轴径向　

的一个作用力，这个力超过一定值将导致汽轮机转　

子自激振动，对汽轮机安全稳定运行造成较大威　

胁　

ａ气流流动模型　ｂ　气流对转子的作用力　

图２轴激振原因分析　

６５　曹志军，等：５０ＭＷ汽轮机轴端汽封改造研究　第２期（总第１５２期）　

１．２蜂窝式汽封结构特点、工作原理　

高低齿式蜂窝汽封是蜂窝技术和迷宫汽封的完　

美结合，其密封效应是迷宫效应和蜂窝效应的综合　

组成，是高效性、稳定性和安全性的完美结合，主要　

设计思想是在原疏齿结构中保留高齿，在低齿地方　

用蜂窝带填满，蜂窝带是由正六面体形状的蜂窝孔　

规则排列，由厚度仅为０．０５～０．２０　ｍｍ的海斯特镍　

基耐高温合金薄板（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ—Ｘ）在特殊成型设备　

上制成的正六面体网格型材，再经特殊焊接设备焊　

接而成的。其芯格尺寸为０．８～６　ｍｍ，蜂窝深度为　

１．６—６　ｍｍ，芯格尺寸越小，板材越薄。根据密封环　

体尺寸制作成的蜂窝带，在真空钎焊炉中通过真空　

钎焊技术被焊接在母体密封环上，即形成了蜂窝式　

汽封。蜂窝式汽封示意图见图３。　

图３蜂窝式汽封示意　蜂窝式密封结构的优点：　．　

１）双向的高效阻尼效应——在梳齿迷宫中气　

流周向旋转运动是引发机组轴系自激振的主要原　

因，蜂窝密封的轴向网格可以有效阻止这股气流的　

流动，可以使自激振动减小到最小；另外沿轴向向外　流动的气流在流经蜂窝带时亦受到蜂窝带上的径向　

网格的阻尼，泄漏阻力增大，泄漏减少。　

２）高效热力学效应——气流在进入蜂窝格内　

时，增大了气流与汽封圈的热交换面积，使气流　

的流动能量大量减小，同时由于气流在进入各个　

小蜂窝格内时会形成涡流，把气流向前的速度转　

化成旋转的速度，从而减少向前的动能，降低了　

泄漏量。　

３）高效收缩效应——流体流经蜂窝带中的每　

个小网格与轴之间的微小间隙时产生收缩，流束截　

面变小，引起蒸汽的涡流和摩擦等局部阻力损失，减　

小了蒸汽流动的势能。　

４）气旋效应——由于轴系的高速旋转，使气流　

成螺旋方式向前流动，在特殊气流流经蜂窝带时，被　

蜂窝带上的无数六角网格所分解，被分解的气流在　

网格的微小空间形成一气柱，此气柱的“刚度”随着　

螺旋气流的强弱而强弱。　

由于蜂窝诸多优良密封性能，故对汽轮机的　轴端阻漏起到了非常好的密封效果。而且试验表　

明汽轮机转速愈高，效果愈好，汽封两端压差越　

高，密封效果愈佳。同时密封带是钎焊于轴封　

上，钎焊料选取的合理及焊接工艺的好坏直接影　

响钎焊质量，焊接不好，导致焊透率低（蜂窝带　

与轴封的结合率）焊接变形大等缺点，焊接温度　

在９００　ｏＣ以上，焊透率保证在９０％以上，以确　

保机组的安全运行。　

２高、低压轴封的改造方案　

５０　ＭＷ汽轮机高压轴封由四个汽封体组成，共　有ｌ４道汽封环，而低压轴封由两个汽封体组成，共　

有４道汽封环。通过论证为保证改造效果，以彻底　

消除轴封漏气决定ｌ８道汽封全部更换为新型蜂窝　

式汽封。更换时轴上原凸台式结构形状仍保留不　

变，即汽轮机转子、原汽封套及退让弹簧保持不变，　

只需要将原梳齿汽封块拆掉，换上严格按照尺寸加　

工的蜂窝式汽封块即可。　

３　实施效果　

从蜂窝式密封与梳齿式密封试验对比曲线可以　

看出密封间隙方面梳齿密封对安装间隙的要求比蜂　

窝密封要严，蜂窝密封的泄漏曲线较梳齿密封的平　

缓；介质压力方面蜂窝汽封对压力的灵敏度较梳齿　

汽封的要迟钝。　

泄漏量与间隙的关系曲线　泄漏量与压力关系曲线　图４蜂窝式密封与梳齿式密封试验对比　

通过计算表明在同等间隙、同等密封宽度的前　

提下，蜂窝密封较传统梳齿密封的泄漏量减少　

５０％以上，而且转速愈高，汽封两端压差越高，密　

封效果愈佳。在距离轴瓦较近处的高压、低压轴　

封处安装蜂窝汽封，由于此处轴振动很小，故可　

减小蜂窝带与轴的径向间隙三分之一左右，那么　

密封效果就更加明显，计算表明５０　ＭＷ汽轮机　

高、低压轴封改造后较传统梳齿密封的泄漏量减　

小８５％左右。　

５０　ＭＷ汽轮机改造完毕后经机组启动检测表　

明汽轮机本体振动优良，无碰摩现象；同时在汽轮　莱钢科技　２０１１年４月　

机真空严密性试验中真空下降值为１４０　Ｐａ／ｍｉｎ，达　

到良好标准，说明低压轴封漏气已经消除；机组真　

空由检修前的最高８６　ｋＰａ增长到８９．４　ｋＰａ，大大　

提高了机组运行经济性；同时油中带水现象基本　

消除，由原先的每天３桶左右到现在无水放出，　

表明轴封蒸汽泄漏已经基本消除，提高了机组安　

全　Ｉ生。　４　结语　

通过对５０　ＭＷ汽轮机高压、低压汽封改造及试　

验，表明新型蜂窝式汽封起到了防止漏汽（气）的作　

用，提高了汽轮机真空系统严密性，消除了油中带水　

现象，效果十分明显，达到了预期的目的。　

参考文献　

［１］何立东．蜂窝密封研究及其在现代叶轮机械中的应用　［Ｊ］．通用机械，２００３，（４）：２２－２３．　特邀编辑：范书昌　

Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈａｆｔ　Ｂｕｔｔ　Ｓｅａｌ　ｏｆ　５０ＭＷ　Ｓｔｅａｍ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　

Ｃａｏ　Ｚｈｉｊｕｎ，Ｃａｏ　Ｘｉｚｈｏｎｇ，Ｇａｏ　Ｈｏｎｇｊｕｎ，Ｗａｎｇ　Ｚｈａｎ，Ｆｅｎｇ　Ｈｕｉｐｉｎｇ　

（Ｔｈｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｓｔｅａｍ　ｌｅａｋａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｈａｆｔ　ｂｕｔｔ　ｓｅａｌ　ｏｆ　５０ＭＷ　ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ，ｎｅｗ　ｂｅｅｈｉｖｅ—　

ｐａｔｔｅｒｎ　ｓｅａｌ　ｗａｓ　ｆｉｒｓｔ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎ　ｓｈａｆｔ　ｓｅａｌ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｎｄｓ　ｏｆ　ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ，ｂｅｔｔｅｒ　

ｅｆｆｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｇｏｔ　ｉｎ　ｒｅｍｏｖｉｎｇ　ｌｅａｋａｇｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｖａｃｕｕｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ；ｃｏｍｂ　ｓｅａｌ；ｖａｃｕｕｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ；ｂｅｅｈｉｖｅ・ｐａｔｔｅｒｎ　ｓｅａｌ　

一＋－—－●一－－４－－＋－－ｔ－－－４－－－－－ｔ－－－　

莱钢多举措促型钢产品效益快速提升　

今年以来，山钢集团莱钢型钢厂围绕“生产效益最大化”，科学优化生产组织，大力深化产品结构调　

整，不断强化技术创新，有效提高了型钢产品吨钢盈利水平，１季度实现利润２３００万元。　

将动态优化生产组织作为提升产品盈利水平的主要手段。型钢厂根据每个产品的盈利情况划分为Ａ　

类盈利产品、Ｂ类有毛利无净利产品和Ｃ类有边际贡献无毛利产品三个级别。在确保品种规格兑现率的情　

况下，优先安排Ａ类产品生产，适量安排Ｂ类产品生产，尽量减少Ｃ类产品生产，确保了每个时间段的　

生产效益最大化。　

把全面深化产品结构调整作为提升效益的重点。型钢厂三条生产线先后成功开发１６　槽钢、Ｈ１９６×　

１４９特种车辆承重梁用Ｈ型钢、ＬＷ１９０×８．５履带钢等新规格，批量生产了ＵＣ３０５　Ｘ３０５、ＵＣ２０３×２０３系　

列钢桩以及ＤＨ３６、ＳＭ４９０ＹＢ、Ｑ３４５ＥＬ、２５ＭｎＢ等１０余个低合金产品。高专产品比例显著提高，占到了　

型钢产品总量的３５．６２％。　

围绕提高产品技经指标，大力实施科技攻关。成就系列创新成果。１季度，型钢厂创出坯料共用、孔　

型共用等系列技术成果，成功完成１１个短板规格的指标提升任务，全厂半数以上产品成材率、合格率等　

关键技术指标实现新提高。　

（型钢厂张建）　

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