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(jī)組的效率和穩(wěn)定性(振動(dòng)), 是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和壓縮機(jī)等葉輪機(jī)械發(fā)展的一項(xiàng)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(jī)械的振動(dòng)。試驗(yàn)表明，蜂窩密封可以提供較高量級(jí)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(jì)（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(jī)理振蕩耗散機(jī)理 n蜂窩密封表面是一個(gè)“多孔”的壁面，瞬態(tài)存在著流體徑向流進(jìn)、流出等復(fù)雜流動(dòng)。n氣流在蜂窩中的往復(fù)振蕩是蜂窩密封的一種機(jī)

2、理.因?yàn)榉涓C中的氣體可以簡(jiǎn)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(huì)耗散氣體的能量，振蕩氣膜對(duì)間隙泄漏氣流也有阻礙作用，減少了氣體的泄漏。航天飛機(jī)液氫、液氧渦輪泵的應(yīng)用n美航天飛機(jī)主機(jī)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(yàn)時(shí)發(fā)生低頻振動(dòng)加劇了滾動(dòng)軸承的磨損。n將級(jí)間梳齒密封換成蜂窩密封后低頻振動(dòng)消失，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的剛性增強(qiáng)，阻尼增加，使轉(zhuǎn)子的第二階臨界轉(zhuǎn)速?gòu)?2500rmin提高到 35200r min，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

3、高了100多倍，使軸承負(fù)荷減小了 3540，延長(zhǎng)了軸承壽命。艦用燃?xì)廨啓C(jī)n我國(guó)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦中的GT25000機(jī)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(duì)保障機(jī)組高效、穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮了重要的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī) 中國(guó)殲-8發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用蜂窩密封后,轉(zhuǎn)子振動(dòng)減輕60%. 地面試驗(yàn)人員說(shuō),發(fā)動(dòng)機(jī)原來(lái)使用齒密封,地面臺(tái)架試驗(yàn)時(shí),振動(dòng)使人的腿都發(fā)麻.改成蜂窩密封后,試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)感覺不感覺麻了. 目前,我國(guó)的殲-10，運(yùn)-12,美國(guó)的U-2，F(xiàn)-16都大量應(yīng)用了蜂窩密封.蜂窩密封的技術(shù)要點(diǎn)和指標(biāo)技術(shù)要點(diǎn)和指標(biāo)n蜂窩汽封可以提供較大的阻尼(100多倍)來(lái)抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)。n泄漏量是梳齒密封的一半，顯著降低了汽

4、封的泄漏量，提高機(jī)組的效率。以一臺(tái)300MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)子沒有傷害。從而保證蜂窩不會(huì)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磨擦而發(fā)生危險(xiǎn) 。n葉頂對(duì)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(qiáng)的耐高溫能力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也很好，不易倒伏，可以承受很高的壓力。離心壓縮機(jī)n1995年，6臺(tái)排氣壓力為312Bar的背對(duì)背式離心壓縮機(jī)，將段間密封設(shè)計(jì)成帶有噴射流的蜂窩密封。自投產(chǎn)以來(lái)，一直運(yùn)行平穩(wěn)。n同年，三臺(tái)排氣壓力為500Bar的背對(duì)背式離心壓縮機(jī)，段間密封為帶有噴射流的蜂

5、窩密封，并應(yīng)用了阻尼軸承。在全負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的亞異步振動(dòng)，而且一階固有頻率的振動(dòng)也得到了很好的阻尼。 離心壓縮機(jī)中的蜂窩密封 軸 汽輪機(jī)葉頂減振蜂窩汽封的原理汽輪機(jī)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(dòng)過(guò)程.有效控制其內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程將有助于改善葉輪機(jī)的性能，擴(kuò)大葉輪機(jī)的穩(wěn)定工作范圍n在蜂窩密封中，各個(gè)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(qiáng)烈地耗散，減低了流速，達(dá)到了減少振動(dòng)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(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致葉片斷裂。本技術(shù)通過(guò)分析激振力產(chǎn)生的原因，研制

6、了控制葉片激振力幅值和頻率的減振環(huán)，通過(guò)改變氣流的流場(chǎng)，顯著控制葉片激振力幅值和頻率，可以大大延長(zhǎng)葉片的壽命，已經(jīng)在多臺(tái)新、舊汽輪機(jī)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。汽輪機(jī)葉頂去濕減振蜂窩汽封汽輪機(jī)葉頂去濕減振蜂窩汽封n在汽輪機(jī)中，低壓末幾級(jí)動(dòng)葉片水蝕造成葉片壽命縮短是一個(gè)普遍存在的問(wèn)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(lái)提高動(dòng)葉片表面的硬度，以抵抗水珠的沖蝕，動(dòng)葉片水蝕問(wèn)題仍沒有從根本上得到解決，掉葉片事故時(shí)有發(fā)生。n濕蒸汽問(wèn)題不僅造成汽輪機(jī)低壓末幾級(jí)動(dòng)葉片嚴(yán)重水蝕，引起葉片的斷裂破壞，而且使級(jí)的效率明顯下降。 n在汽輪機(jī)葉頂對(duì)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

7、止水刷，提高葉片的安全，葉片壽命提高一倍以上。同時(shí)級(jí)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(jìn)行去濕的功能，減少了水滴對(duì)葉片的沖蝕，提高了葉片的安全可靠性。n從美國(guó)引進(jìn)的多臺(tái)300 MW和650 MW汽輪機(jī)，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(guò)蜂窩汽封中的去濕輸水槽，將汽流中的水引入抽（排）汽口. 葉頂蜂窩汽封的特點(diǎn)葉頂蜂窩汽封的特點(diǎn)n蜂窩汽封可以提供較大的阻尼來(lái)抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)。同時(shí)漏汽量大大減少，封嚴(yán)效果好,提高級(jí)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

8、。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(duì)轉(zhuǎn)子沒有傷害，從而保證不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子碰磨危險(xiǎn)。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(jìn)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(duì)葉片的沖蝕。n提高葉片壽命一倍以上，提高葉片的安全可靠性。蜂窩密封用于葉頂氣封業(yè)績(jī)業(yè)績(jī)1 北京華能熱電廠北京華能熱電廠75MW后置機(jī)后置機(jī)蜂窩葉頂汽封蜂窩葉頂汽封 n重慶嘉凌電廠75MW后置機(jī)由于低壓缸末級(jí)濕度大，葉片受到強(qiáng)烈的水滴沖蝕，曾發(fā)生葉片斷裂的事故。各級(jí)的濕度是：末級(jí)12.4%, 次末級(jí)8.

9、5%, 次次末級(jí)4.2%.n2000年北京華能熱電廠要購(gòu)買相同類型的75MW后置機(jī)，為了防止葉片受到水滴的強(qiáng)烈沖蝕，我們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)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(lái)吸附水滴，去濕效果好，葉片損傷大幅度下降，提高了機(jī)組效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。自投產(chǎn)以來(lái)一直安全穩(wěn)定地運(yùn)行。業(yè)績(jī)業(yè)績(jī)2 秦山核電站秦山核電站650MW的汽輪機(jī)蜂的汽輪機(jī)蜂窩葉頂汽封窩葉頂汽封 n該650MW汽輪機(jī)，在低壓缸次次末級(jí)和次末級(jí)應(yīng)用了蜂窩密封。其直徑約為2.8m，次末級(jí)濕度是10%,次次末級(jí)濕度是6%.業(yè)績(jī)業(yè)績(jī)3 高井電廠高井電廠100MW汽輪機(jī)蜂窩葉頂汽輪機(jī)蜂窩葉頂汽封汽封 n我們?cè)谠撈啓C(jī)低壓缸次次末

10、級(jí)和次末級(jí)應(yīng)用了蜂窩密封。次次末級(jí)葉輪的直徑1865.4; 次末級(jí)葉輪的直徑2184.8毫米。業(yè)績(jī)業(yè)績(jī)4廣石化廣石化25MW汽輪機(jī)蜂窩密封汽輪機(jī)蜂窩密封n該機(jī)組供汽壓力為10.2MPa，蒸汽溫度為460-490，低于設(shè)計(jì)值540，低壓缸中蒸汽濕度大，對(duì)葉片將會(huì)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(jī)廠對(duì)此采取的對(duì)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(wèn)題，是一種被動(dòng)方法。大量事實(shí)說(shuō)明，使用這種方法后，機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間以后，葉片表面鍍層將被水滴沖刷掉，葉片表面將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的水蝕凹坑，葉片極易斷裂。業(yè)績(jī)業(yè)績(jī)5中石油遼陽(yáng)分公

11、司自備電廠中石油遼陽(yáng)分公司自備電廠50WM汽輪機(jī)葉頂蜂窩汽封汽輪機(jī)葉頂蜂窩汽封 n中石油遼陽(yáng)分公司的一臺(tái)50WM汽輪機(jī)先后5次發(fā)生斷葉片的事故，哈爾濱汽輪機(jī)廠和上海汽輪機(jī)廠對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了多次改造，但都沒有能夠阻止斷葉片事故的發(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(jī)的次末級(jí)三根長(zhǎng)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(jí)的多個(gè)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(jī)，改造工作將于2006年10月前結(jié)束。其他業(yè)績(jī)業(yè)績(jī)汽輪機(jī)級(jí)間和軸端應(yīng)用蜂窩密封應(yīng)用事例n上海某600MW機(jī)組高壓前軸封原來(lái)蒸汽泄漏嚴(yán)重，

12、燒毀了振動(dòng)傳感器，在傳感器附近引入空氣進(jìn)行冷卻。使用蜂窩汽封后，解決了漏汽問(wèn)題，取消了傳感器的冷卻系統(tǒng)。運(yùn)行一個(gè)大修期后，開缸檢查，沒有損壞 .n目前我們已經(jīng)完成對(duì)汽輪機(jī)蜂窩密封參數(shù)的優(yōu)化研究、實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品試產(chǎn)檢測(cè)、對(duì)本產(chǎn)品進(jìn)行了成果鑒定。n本項(xiàng)目產(chǎn)品已進(jìn)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(jī)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(yáng)州某電廠、平頂山某電廠、吳涇電廠等。n同時(shí)還生產(chǎn)了透平壓縮機(jī)蜂窩汽封。汽輪機(jī)低頻激振時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)瀑布圖(負(fù)荷變化的影響)n徐州電廠#8機(jī)（國(guó)產(chǎn)200 MW機(jī)組）曾經(jīng)發(fā)生過(guò)30多次由于氣流激振引起的低頻振動(dòng)，機(jī)組在約一年的時(shí)間里無(wú)法帶滿負(fù)荷運(yùn)行，造成了很大經(jīng)濟(jì)損失。 低頻振動(dòng)的特征：n振動(dòng)與介質(zhì)的壓力有關(guān)，介質(zhì)壓力越高，振動(dòng)越大。n振動(dòng)頻率不高于轉(zhuǎn)速頻率。n轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)越大。n密封間隙增大，振動(dòng)消失。小結(jié)1、蜂窩密封能夠防止葉片斷裂