CN103225519B - 自调整叶片式汽封 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了自调整叶片式汽封，包括汽封基体，还包括叶片模块，所述叶片模块镶嵌在汽封基体的刚性齿的高齿进汽侧；所述叶片模块包括前夹板、后夹板、一片以上的叶片和用来遮挡叶片的遮流片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在前夹板和后夹板之间，另一端为自由端，其中，叶片的自由端高出刚性齿0-2mm，所述用来遮挡叶片的遮流片设在前夹板和叶片之间，且不高出叶片的自由端，所述叶片与刚性齿相邻。本发明自调整叶片式汽封不仅具有径向柔性的特性，还能够根据汽轮机组启停机和正常运行两种状态，自动改变汽封间隙，在汽轮机短暂的启停机状态，保持相对较大的安全间隙，而在长期的并网运行状态能保持相对较小的经济间隙，即同时分别满足两种状态下所需的安全间隙和经济间隙。
Description
技术领域
本发明涉及自调整叶片式汽封，属于汽轮机汽封领域。
背景技术
汽轮机转子与静子间均设有汽封，传统的汽封为梳齿汽封，一般转子加工成凹凸结构，汽封采用高低齿结构与之相配合。汽封在整圈上一般分为4～12段，以适应水平中分式缸体，安装时依次滑入静子的T型槽道内，汽封在弹簧片的支撑下与转子保持一定间隙，一旦碰磨汽封可以弹性退让。
梳齿汽封的突出优点是成本低廉、使用安全、密封效果较稳定，但这种稳定是低水平的稳定。梳齿汽封安装时一般需预留0.50-0.80mm径向间隙，即便如此，依然无法避免汽轮机启停过程中过临界转速时振幅增大带来的过量磨损，一经碰磨，间隙永久性扩大。刷式汽封的出现在一定程度上解决了这一问题。
刷式汽封是在传统梳齿汽封基础上发展起来的，把梳齿汽封的一个或几个高齿替换为刷齿。刷齿主要由紧密排列的特种合金丝组成，一般采用直径0.05～0.15mm的耐高温合金丝，丝束总厚度0.6～2mm。刷丝与转子径向呈15～60°倾角，倾角顺着转子旋向。每根刷丝就是一端为支点的梁,有极好的弹性，它们和转子相碰磨时,刷丝可以弹性退让，不易被磨掉,故刷丝自由端与转子的间隙可以设计得比梳齿汽封小很多。
但实践证明，刷式汽封走向了“柔性”的极端，刷丝的刚度太小，以致于刷式汽封在高温高压的工况下无法保持结构与性能的稳定（突出表现为刷丝倾角无法保持稳定），汽轮机揭缸检查发现一个大修周期后出现刷丝尖部断裂磨损现象，刷齿反而低于原高齿了。刷式汽封无法长期保持较高密封性能，亟需一项新技术来解决此问题。
布莱登汽封因能够在启停机和正常运行状态自动调整径向间隙而获得行业的广泛认可，但也因其对蒸汽品质要求的提高以及增大胀差等负面效应而受到一定的质疑，况且一旦汽封无法闭合而失效将导致蒸汽泄露量增大数倍。
发明内容
本发明的目的是提供一种自调整叶片式汽封，一旦与转子碰磨可弹性退让，同时在压差作用下能够自动调整径向间隙，这一特性使得其特别适合汽轮机变工况对径向间隙的要求。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
自调整叶片式汽封，包括汽封基体，还包括叶片模块，所述叶片模块镶嵌在汽封基体的刚性齿的高齿进汽侧；所述叶片模块包括前夹板、后夹板、一片以上的叶片和用来遮挡叶片的遮流片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在前夹板和后夹板之间，另一端为自由端，其中，叶片的自由端高出刚性齿0-2mm，所述用来遮挡叶片的遮流片设在前夹板和叶片之间，且不高出叶片的自由端，所述叶片与刚性齿相邻。
为了提高汽封的密封性能，本发明叶片的排列要满足在汽流作用下，由于各叶片间的相互靠拢，可形成完整密封体。为了节省空间，优选在叶片的长度方向上，一端固定在前夹板和后夹板之间，另一端为自由端。
上述的汽封基体优选为现有技术中的梳齿汽封。本发明自调整叶片式汽封由若干弧段拼接为整圈，与汽轮机转子微间隙配合。
上述汽封基体上可镶嵌一段或多段叶片模块，叶片模块镶嵌在汽封基体刚性齿的高齿进汽侧，刚性齿起到密封和轴向支撑叶片模块的双重作用。
上述遮流片设置在汽流上游，紧贴着叶片，在整个圆周上分成若干扇形弧段，本发明叶片自由端高出遮流片或与之齐平。
为了提高连接的稳定性与方便性，上述前夹板、后夹板与叶片之间，以及前夹板和遮流片之间均为焊接连接。
实际操作中可用电火花、蚀刻和激光等方法将叶片及叶片模块等加工至精确尺寸。
在汽轮机工况下，径向柔性趋利，轴性向柔性趋弊，但刷式汽封的刷丝在径向和轴向上具有同一量级的柔性，而本发明自调整叶片式汽封的叶片不但保证了所需要的径向柔性，而且大大增强了轴向的刚度，大幅提高了轴向承压能力。自调整叶片式汽封径向柔性的特征保证了汽轮机动静之间瞬态不同心时不会造成过量磨损，同时改善了汽轮机转子的稳定性，且遮流片的设置将各构件间的泄漏降到了最低，提升了密封性能。
为了提高汽封的密封性能，同时延长其使用寿命，叶片与刚性齿之间的距离为0-0.5mm；同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为0-60°；叶片与竖直面的夹角为0-30°。
实际使用中，汽轮机转子是水平放置的，即汽轮机的轴向为水平方向，本发明竖截面是指垂直于水平方向的面。
上述叶片的叶根指叶片与前夹板和后夹板的连接处。
申请人经研究发现，上述角度范围的选择，实现了意想不到的密封效果，且能同时保证对装置的刚性和柔性的要求，更重要的是能够根据汽轮机状态自发的调整密封间隙。
本发明为了方便，将叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线与叶片的夹角记为倾角α，将叶片与竖直面的夹角记为扭转角β，将叶片自由端与刚性齿之间的距离记为轴向间隙δ，将叶片自由端与转子表面的径向距离记为配合间隙c。
申请人经研究发现，在上述范围内，在汽流轴向压差作用下，遮流片将向汽流的下游形变，叶片跟随遮流片发生形变，倾角α变小，扭转角β变大，轴向间隙δ消失，配合间隙c变小。此时相邻两叶片靠拢，与刚性齿相邻的叶片自由端贴紧刚性齿，可使叶片模块工作状态下获得近零间隙，从而实现完整的密封。叶片在各个方向上刚性差异很大，决定了其形变具有方向选择性，这种刚性差异和方向选择性是实现本发明的关键所在。
叶片与转子碰磨时发生弹性变形，倾角α将变大，轴向间隙δ随之变大，可避免叶片与刚性齿之间接触而影响叶片的退让性。
叶片在整个圆周上整齐排列，在叶片根部，相邻叶片间留有间隙以适应内外径差。
为了实现更好的密封，同时保证汽封的柔性和刚性，叶片与刚性齿之间的距离为0.1-0.3mm，同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为30-45°；叶片与竖直面的夹角为10-20°，。
为了提高叶片模块的稳定性，同时保证操作的简便易行，叶片模块通过铆固件镶嵌在汽封基体刚性齿的高齿进汽侧。
为了提高可操作性，铆固件为波浪板条或毛细扁管。
上述铆固件通过专用工具辗压进安装铆接槽，与叶片模块的前夹板贴合，固定叶片模块。
安装时，以刚性齿设定间隙，保证此间隙与传统梳齿汽封间隙一致即可。
为了提高汽封的综合性能，叶片的厚度为0.05-0.20mm，宽度为0.5-2mm，遮流片的厚度为0.05-0.20mm。
为了设备安全运行，叶片的硬度小于汽轮机转子表面的硬度。优选，叶片的材料为Hastelloy-X或0Cr15Mo。
本发明未特别限定的技术均为现有技术。
本发明自调整叶片式汽封能够根据汽轮机组启停机和正常运行两种状态，自动改变汽封间隙，在汽轮机短暂的启停机状态，保持相对较大的安全间隙，而在长期的并网运行状态能保持相对较小的经济间隙，即同时分别满足两种状态下所需的安全间隙和经济间隙。
附图说明
图1为本发明汽封基体的结构示意图。
图2为实施例1中自调整叶片式汽封的结构示意图。
图3为图2中A处放大示意图。
图4为本发明实施例1中铆固件的结构示意图。
图5为本发明叶片模块的立体图。
图6为本发明叶片模块的结构示意图。
图7为本发明自调整叶片式汽封使用状态图。
图8为图7中B处放大示意图。
图9为本发明叶片模块在轴向压差作用前后各参数变化的示意图，其中，图a为压差作用前，图b为压差作用后。
图10为实施例2中自调整叶片式汽封的使用状态图。
图11为实施例2中自调整叶片式汽封（d线）与传统梳齿汽封（e线）间隙特性对比图，f线为汽轮机各状态下间隙要求线，①为启停机阶段（历经一、二阶临界转速），②为并网带负荷运行阶段。
图12为实施例2中自调整叶片式汽封（d线）与传统梳齿汽封（e线）泄漏特性对比图。
图中，1为汽封基体，2为铆固件，3为前夹板，4为遮流片，5为叶片，6为后夹板。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-9所示的自调整叶片式汽封，包括汽封基体，还包括叶片模块，所述叶片模块通过铆固件镶嵌在汽封基体的刚性齿的高齿进汽侧，其中，叶片模块为一段；所述叶片模块包括前夹板、后夹板、一片以上的叶片和用来遮挡叶片的遮流片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在前夹板和后夹板之间，另一端为自由端，其中，叶片的自由端高出刚性齿0.5mm，所述用来遮挡叶片的遮流片设在前夹板和叶片之间，且不高出叶片的自由端，所述叶片与刚性齿相邻；叶片与刚性齿之间的距离为0.15mm；同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为37°；叶片与竖直面的夹角为10°。
铆固件为波浪板条；叶片的厚度为0.10mm，宽度为1mm，遮流片的厚度为0.20mm。叶片的硬度小于汽轮机转子表面的硬度，叶片的材料为Hastelloy-X。
实施例2
如图10所示的自调整叶片式汽封，与实施例1基本相同，所不同的是：叶片模块为三段，铆固件为毛细扁管，叶片材料为0Cr15Mo；叶片的自由端与刚性齿齐平，叶片与刚性齿之间的距离为0.2mm；同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为30°；叶片与竖直面的夹角为15°。
实施例2安装于汽轮机中，调整使得刚性齿与转子的配合间隙为0.6mm，此间隙一般为传统汽封设定的间隙。在上述参数设定下，实施例2具有约0.4mm的压力闭合特性，在轴向压差足够大时，叶片模块自由端与转子的配合间隙缩小为0.2mm。
为了更好的理解实施例2的有益效果，图1给出了自调整叶片式汽封与传统梳齿汽封理论上的间隙特性对比图，图12给出了自调整叶片式汽封与传统梳齿汽封理论上的泄漏特性对比图。上述自调整叶片式汽封即为实施例2，上述传统梳齿汽封等同于实施例2去除叶片模块和铆固件后的汽封基体部分。
如图11和图12，自调整叶片式汽封的密封间隙能够跟随压差的增大而缩小，对应泄漏量也会减少。汽轮机在启停机阶段，受汽缸温度不均和临界转速等因素的影响，要求动静之间保持较大的安全间隙，而机组进入并网带负荷运行阶段，汽轮机进汽压力不断加大，自调整叶片式汽封的密封间隙能大幅度缩小，长期保持经济间隙，泄漏量仅为传统梳齿汽封的1/2-1/3。
实施例3
与实施例1基本相同，所不同的是：叶片与刚性齿之间的距离为0mm；同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为0°；叶片与竖直面的夹角为0°；叶片的厚度为0.05mm，宽度为0.5mm，遮流片的厚度为0.05mm。
实施例4
与实施例1基本相同，所不同的是：叶片与刚性齿之间的距离为0.5mm；同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为60°；叶片与竖直面的夹角为30°；叶片的厚度为0.20mm，宽度为2mm，遮流片的厚度为0.20mm。
Claims (8)
1.自调整叶片式汽封，包括汽封基体，其特征在于：还包括叶片模块，所述叶片模块镶嵌在汽封基体的刚性齿的高齿进汽侧；所述叶片模块包括前夹板、后夹板、一片以上的叶片和用来遮挡叶片的遮流片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在前夹板和后夹板之间，另一端为自由端，其中，叶片的自由端高出刚性齿0-2mm，所述用来遮挡叶片的遮流片设在前夹板和叶片之间，且不高出叶片的自由端，所述叶片与刚性齿相邻。
2.如权利要求1所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：叶片与刚性齿之间的距离为0-0.5mm；同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为0-60°；叶片与竖直面的夹角为0-30°。
3.如权利要求2所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：叶片与刚性齿之间的距离为0.1-0.3mm，同一竖截面上、顺着汽轮机转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线和叶片的夹角为30-45°；叶片与竖直面的夹角为10-20°。
4.如权利要求1-3任意一项所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：叶片模块通过铆固件镶嵌在汽封基体刚性齿的高齿进汽侧。
5.如权利要求4所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：铆固件为波浪板条或毛细扁管。
6.如权利要求1-3任意一项所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：叶片的厚度为0.05-0.20mm，宽度为0.5-2mm，遮流片的厚度为0.05-0.20mm。
7.如权利要求1-3任意一项所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：叶片的硬度小于汽轮机转子表面的硬度。
8.如权利要求5所述的自调整叶片式汽封，其特征在于：叶片的材料为Hastelloy-X或0Cr15Mo。
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