防止葉片斷裂的蜂窩密封技術(shù)

1、防止葉片斷裂的蜂窩密封技術(shù) 北京化工大學(xué) 何立東 背景 n 密封裝置直接影響著機組的效率和 穩(wěn)定性(振動), 是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C、汽輪機 和壓縮機等葉輪機械發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。 蜂窩密封具有減振和增效的雙重作 用. 蜂窩密封的阻尼特性 n利用蜂窩密封較好的阻尼特性，可以抑 制透平機械的振動。試驗表明，蜂窩密 封可以提供較高量級的阻尼（9.02E+4 N-S/M）。相比之下，梳齒密封的阻尼小 的可以忽略不計（5.31E+2 N-S/M） 蜂窩密封減振的工作原理蜂窩密封減振的工作原理 n振蕩耗散機理振蕩耗散機理 n蜂窩密封表面是一個“多孔”的 壁面，瞬態(tài)存在著流體徑向流進、 流出等復(fù)雜流動。 n氣流在

2、蜂窩中的往復(fù)振蕩是蜂窩 密封的一種機理.因為蜂窩中的氣 體可以簡化成彈性氣柱,類似于空 氣彈簧，形成彈簧振子。 n大量蜂窩孔中的空氣彈簧振子形 成了一層氣體彈性氣膜，氣流在 蜂窩中的往復(fù)振蕩會耗散氣體的 能量，振蕩氣膜對間隙泄漏氣流 也有阻礙作用，減少了氣體的泄 漏。 航天飛機液氫、液氧渦輪泵的 應(yīng)用 n美航天飛機主機高壓渦輪輸氧泵，其排氧壓力 為4.89 X 107 Pa，工作轉(zhuǎn)速為30000rmin， 試驗時發(fā)生低頻振動加劇了滾動軸承的磨損。 n將級間梳齒密封換成蜂窩密封后低頻振動消失， 轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的剛性增強，阻尼增加，使轉(zhuǎn)子 的第二階臨界轉(zhuǎn)速從32500rmin提高到 35200r m

3、in，距最大工作轉(zhuǎn)速的裕度提高到 17. n蜂窩密封使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼提高了100多倍， 使軸承負(fù)荷減小了 3540，延長了軸承 壽命。 艦用燃?xì)廨啓C n我國導(dǎo)彈驅(qū)逐艦中的GT25000機組，約在26處 應(yīng)用了高性能蜂窩密封替代傳統(tǒng)的梳齒密封， 對保障機組高效、穩(wěn)定運行，發(fā)揮了重要的作 用。 航空發(fā)動機 中國殲-8發(fā)動機應(yīng)用蜂窩密封后,轉(zhuǎn)子 振動減輕60%. 地面試驗人員說,發(fā)動機原來使用齒密 封,地面臺架試驗時,振動使人的腿都發(fā)麻. 改成蜂窩密封后,試驗時已經(jīng)感覺不感覺 麻了. 目前,我國的殲-10，運-12,美國的U-2， F-16都大量應(yīng)用了蜂窩密封. 蜂窩密封的技術(shù)要點和指標(biāo)技術(shù)要點和指

4、標(biāo) n蜂窩汽封可以提供較大的阻尼(100多倍)來抑制轉(zhuǎn)子振動。 n泄漏量是梳齒密封的一半，顯著降低了汽封的泄漏量，提高 機組的效率。以一臺300MW汽輪機發(fā)電機組為例，每年可 以多發(fā)電約1.8億度 n由于蜂窩壁厚很薄，如果蜂窩密封與轉(zhuǎn)子碰磨，首先磨損的 是蜂窩密封，對轉(zhuǎn)子沒有傷害。從而保證蜂窩不會與轉(zhuǎn)子產(chǎn) 生磨擦而發(fā)生危險 。 n葉頂對應(yīng)的缸體上安裝蜂窩汽封可以有效去濕，防止水刷， 提高葉片的安全，提高葉片壽命一倍以上。 n蜂窩密封有很強的耐高溫能力，結(jié)構(gòu)強度也很好，不易倒伏， 可以承受很高的壓力。 離心壓縮機 n1995年，6臺排氣壓力為312Bar的背對背式離 心壓縮機，將段間密封設(shè)計成帶

5、有噴射流的蜂 窩密封。自投產(chǎn)以來，一直運行平穩(wěn)。 n同年，三臺排氣壓力為500Bar的背對背式離心 壓縮機，段間密封為帶有噴射流的蜂窩密封， 并應(yīng)用了阻尼軸承。在全負(fù)荷實驗中，沒有發(fā) 現(xiàn)明顯的亞異步振動，而且一階固有頻率的振 動也得到了很好的阻尼。 離心壓縮機中的蜂窩密封 軸 汽輪機葉頂減振蜂窩汽封的原理汽輪機葉頂減振蜂窩汽封的原理 n葉尖間隙區(qū)域存在泄漏渦和 激波的相互作用等非常復(fù)雜 的流動過程.有效控制其內(nèi)部 流動過程將有助于改善葉輪 機的性能，擴大葉輪機的穩(wěn) 定工作范圍 n在蜂窩密封中，各個小蜂窩 就像一間間彼此隔絕的小房 間一樣，氣流在不貫通的蜂 窩中被強烈地耗散，減低了 流速，達(dá)到了

6、減少振動和泄 漏的目的. n導(dǎo)致葉片斷裂的重要原因之一是葉片在 很高的氣流激振力作用下，產(chǎn)生疲勞裂 紋，裂紋進一步發(fā)展導(dǎo)致葉片斷裂。本 技術(shù)通過分析激振力產(chǎn)生的原因，研制 了控制葉片激振力幅值和頻率的減振環(huán)， 通過改變氣流的流場，顯著控制葉片激 振力幅值和頻率，可以大大延長葉片的 壽命，已經(jīng)在多臺新、舊汽輪機中得到 了應(yīng)用和驗證。 汽輪機葉頂去濕減振蜂窩汽封汽輪機葉頂去濕減振蜂窩汽封 n在汽輪機中，低壓末幾級動 葉片水蝕造成葉片壽命縮短 是一個普遍存在的問題。 n盡管采用鍍鉻、滲碳、表面 淬硬、焊接硬質(zhì)合金快等方 法來提高動葉片表面的硬度， 以抵抗水珠的沖蝕，動葉片 水蝕問題仍沒有從根本上得

7、到解決，掉葉片事故時有發(fā) 生。 n濕蒸汽問題不僅造成汽輪機 低壓末幾級動葉片嚴(yán)重水蝕， 引起葉片的斷裂破壞，而且 使級的效率明顯下降。 n在汽輪機葉頂對應(yīng)的 隔板上安裝蜂窩汽封， 是目前最新的去濕、 密封技術(shù)，可以防止 水刷，提高葉片的安 全，葉片壽命提高一 倍以上。同時級效率 可以提高1%。 蜂窩密封的去濕功能 n蜂窩密封具有收集微小水滴進行去濕的功能， 減少了水滴對葉片的沖蝕，提高了葉片的安全 可靠性。 n從美國引進的多臺300 MW和650 MW汽輪機， 大量應(yīng)用了蜂窩密封。 n利用蜂窩密封的大面積蜂窩將汽流中的大水滴 擊碎成小水滴. n蜂窩將小水滴吸收，通過蜂窩汽封中的去濕輸 水槽，將

8、汽流中的水引入抽（排）汽口. 葉頂蜂窩汽封的特點葉頂蜂窩汽封的特點 n蜂窩汽封可以提供較大的阻尼來抑制轉(zhuǎn)子振動。同時漏汽量 大大減少，封嚴(yán)效果好,提高級效率1-2%。 n蜂窩汽封環(huán)利用螺釘固定在殼體的內(nèi)壁上，保證葉頂蜂窩汽 封與汽缸體牢固聯(lián)結(jié)，間隙均勻。 n由于蜂窩壁厚很薄、很軟，如果蜂窩密封與轉(zhuǎn)子葉片碰磨， 首先磨損的是蜂窩密封，對轉(zhuǎn)子沒有傷害，從而保證不會發(fā) 生轉(zhuǎn)子碰磨危險。 n利用蜂窩密封的大面積蜂窩將汽流中的大水滴擊碎成小水滴. 蜂窩密封具有收集微小水滴進行去濕的功能，蜂窩汽封基體 上開有周向貫通的梳水槽，將汽流中的水引入抽（排）汽口. 減少了水滴對葉片的沖蝕。 n提高葉片壽命一倍以上

9、，提高葉片的安全可靠性。 蜂窩密封用于葉頂氣封 業(yè)績業(yè)績1 北京華能熱電廠北京華能熱電廠75MW后置機后置機 蜂窩葉頂汽封蜂窩葉頂汽封 n重慶嘉凌電廠75MW后置機由于 低壓缸末級濕度大，葉片受到強 烈的水滴沖蝕，曾發(fā)生葉片斷裂 的事故。各級的濕度是：末級 12.4%, 次末級8.5%, 次次末級 4.2%. n2000年北京華能熱電廠要購買相 同類型的75MW后置機，為了防 止葉片受到水滴的強烈沖蝕，我 們?yōu)槠湓O(shè)計并安裝了蜂窩葉頂汽 封，如圖所示，使用蜂窩汽封后， 用蜂窩的網(wǎng)孔來吸附水滴，去濕 效果好，葉片損傷大幅度下降， 提高了機組效率和運行穩(wěn)定性。 自投產(chǎn)以來一直安全穩(wěn)定地運行。 業(yè)績業(yè)

10、績2 秦山核電站秦山核電站650MW的汽輪機蜂的汽輪機蜂 窩葉頂汽封窩葉頂汽封 n該650MW汽輪機， 在低壓缸次次末級和 次末級應(yīng)用了蜂窩密 封。其直徑約為2.8m， 次末級濕度是10%, 次次末級濕度是6%. 業(yè)績業(yè)績3 高井電廠高井電廠100MW汽輪機蜂窩葉頂汽輪機蜂窩葉頂 汽封汽封 n我們在該汽輪機低壓 缸次次末級和次末級 應(yīng)用了蜂窩密封。次 次末級葉輪的直徑 1865.4; 次末級葉輪 的直徑2184.8毫米。 業(yè)績業(yè)績4 廣石化廣石化25MW汽輪機蜂窩密封汽輪機蜂窩密封 n該機組供汽壓力為10.2MPa，蒸 汽溫度為460-490，低于設(shè) 計值540，低壓缸中蒸汽濕度 大，對葉片將

11、會產(chǎn)生嚴(yán)重的水蝕， 葉片壽命受到威脅，極易發(fā)生葉 片斷裂事故。目前，青島汽輪機 廠對此采取的對策是在葉片表面 鍍上一層金屬。這是目前常規(guī)的 做法，這種方法不能從根本上解 決嚴(yán)重的水蝕問題，是一種被動 方法。大量事實說明，使用這種 方法后，機組運行一段時間以后， 葉片表面鍍層將被水滴沖刷掉， 葉片表面將會產(chǎn)生嚴(yán)重的水蝕凹 坑，葉片極易斷裂。 業(yè)績業(yè)績5 中石油遼陽分公司自備電廠中石油遼陽分公司自備電廠 50WM汽輪機葉頂蜂窩汽封汽輪機葉頂蜂窩汽封 n中石油遼陽分公司的一臺50WM汽輪機先后5次 發(fā)生斷葉片的事故，哈爾濱汽輪機廠和上海汽 輪機廠對該機組進行了多次改造，但都沒有能 夠阻止斷葉片事故的

12、發(fā)生。特別是最近發(fā)生在 2005年10月的一次尤為嚴(yán)重。該汽輪機的次末 級三根長葉片從葉片中部折斷，這三根斷下的 葉片隨后又把次次末級的多個葉片打壞，還嚴(yán) 重?fù)p壞了隔板和汽封。目前，我們已經(jīng)和遼化 簽定了技術(shù)協(xié)議，應(yīng)用我們的防葉片斷裂技術(shù) 改造該汽輪機，改造工作將于2006年10月前結(jié) 束。 其他業(yè)績業(yè)績 汽輪機級間和軸端應(yīng)用蜂窩密封 應(yīng)用事例 n上海某600MW機組 高壓前軸封原來蒸汽 泄漏嚴(yán)重，燒毀了振 動傳感器，在傳感器 附近引入空氣進行冷 卻。使用蜂窩汽封后， 解決了漏汽問題，取 消了傳感器的冷卻系 統(tǒng)。運行一個大修期 后，開缸檢查，沒有 損壞 . n目前我們已經(jīng)完成對汽輪機蜂窩密封參

13、數(shù)的優(yōu) 化研究、實驗、產(chǎn)品試產(chǎn)檢測、對本產(chǎn)品進行 了成果鑒定。 n本項目產(chǎn)品已進入批量生產(chǎn)階段。我們已經(jīng)在 600MW、300MW、200MW、75MW以及50M 等各種新、老汽輪機中應(yīng)用了蜂窩密封。 n主要使用單位有：安徽蕪湖某電廠、金山某電 廠、蘭州某電廠，太原某電廠、揚州某電廠、 平頂山某電廠、吳涇電廠等。 n同時還生產(chǎn)了透平壓縮機蜂窩汽封。 汽輪機低頻激振時 轉(zhuǎn)子振動瀑布圖(負(fù)荷變化的影響) n徐州電廠#8機（國產(chǎn)200 MW機 組）曾經(jīng)發(fā)生過30多次由于氣流 激振引起的低頻振動，機組在約 一年的時間里無法帶滿負(fù)荷運行， 造成了很大經(jīng)濟損失。 低頻振動的特征： n振動與介質(zhì)的壓力有關(guān)，介 質(zhì)壓力越高，振動越大。 n振動頻率不高于轉(zhuǎn)速頻率。 n轉(zhuǎn)速越高，振動越大。 n密封間隙增大，振動消失。 小結(jié) 1、蜂窩密封能夠防止葉片斷裂，有利于轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定 運行。 2、蜂