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蜂窝式密封,可取代梳齿式的先进的汽轮机密封技术

供稿人:ISTIS  供稿时间:2005-1-11   关键字:汽轮机  密封  蜂窝式  梳齿式  
世界各国的火力发电厂(包括核电厂)的蒸汽轮机(steam turbin)之通流系统各部位所采用的密封技术均为梳齿式结构,主要用作控制泄漏量。其密封机理是通过多级节流膨胀产生阻尼达到减少工质泄漏的目的。其缺点是:梳齿易磨损,间隙度大,泄漏增加,降低机组效率;同时齿片伤及轴表面,导致轴弯曲酿成设备损坏事故,既不安全又不经济。如能减小泄漏损失,汽轮机或燃气轮机的效率、功率将得到有效提高,电厂将由此获得巨大的经济效益。
 
1989年起,美国的Childs D等人陆续发表了一系列蜂窝密封的刚度和阻尼数据,提出蜂窝密封可提高汽轮机的动力性能。蜂窝式密封在结构上是由厚为0.05-0.10mm的海斯特(Hasttelloy-X)高温合金制成正六边形的蜂窝状,以取代梳齿式密封的梳齿,具有耐磨损、不伤轴、寿命长、密封效果好等优点。其密封机理是这种蜂窝状结构能产生很强的涡流和屏障,从而形成很大的阻尼而达到阻止工质泄漏的密封效果。实验表明,蜂窝式密封在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度;允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸;简化了涡轮机组安装和修理时的装配工作,比梳齿密封具有更好的转子动力学特性。蜂窝状密封比梳齿式密封减少泄漏量,节能效果显著,安全经济,是该汽轮机领域的更新换代的技术。
 
美国航天飞机主机高压液氧涡轮泵的经验表明,用蜂窝密封替换涡轮级间梳齿密封,可消除转子不稳定问题,降低次同步振动水平。在离心式高压压缩机中,满负荷全压试验及其实际应用经验均表明,段间的蜂窝密封提供了足够的阻尼,确保了压缩机的稳定运行。通过对比实验表明静子为蜂窝密封而转子带有梳齿的密封结构减振效果最好。
蜂窝密封技术专利申请情况
自1983年起到本世纪初,美、日、德等多个发达国家对应用于汽轮机蜂窝式密封已经有了不同程度的研究,申请了大量专利。其中较为相关的有US4416457、US6189891、US6251494,内容从蜂窝式密封的结构、单元排列,延伸至进一步改进制造工艺,优化蜂窝室的几何结构,采用各种方式提高该密封结构的密封性能。国内有两篇相关专利涉及用蜂窝结构实现汽轮机组级间密封及轴封。现将专利具体申请情况列表如下:
 
专利名
专利号
公开日
申请日
申请人
同族专利
Grooved honeycomb labyrinth seal for steam turbines
US4416457
1983.11.22
1983.1.24
WESTINGHOUSE ELECTRIC CORP (US) 
AU2303684, AU567709, CA1240722, DE3471128D,EG16495, EP0115937,  ES285504U, ES285504Y, IN158581, JP1578594C, JP2002441B, JP59170406, KR9110085, MX157979,JP59138701
Gas turbine seal apparatus
US6189891
2001.2.20
1997.3.12
MITSUBISHI HEAVY IND LTD (US) 
Honeycomb structure seal for a gas turbine and method of making same
US6251494
2001.6.26
1998.6.24
ROLLS ROYCE DEUTSCHLAND (US)
EP0967363,
SEALED HONEYCOMB STRUCTURE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME
WO2004085029
2004-10-7
2003.3.23
ICHIKAWA YUKIHITO (JP); NOGUCHI YASUSHI (JP); NGK INSULATORS LTD (JP) 
JP1297114; JP57007215; JP2001300922; JP59054682; JP5137923 
Sealing of a thermal turbomachine
2003.6.10
2000.8.7
ALSTOM SWITZERLAND LTD (CH) 
US2002015641
新型汽轮机组级间密封及轴封装置
CN2405012
2000.11.08
1999.11.22
牡丹江爱迪电力技术有限责任公司
 
改进型汽轮机密封装置 
CN2586817
2003.11.19
2002.11.19
何立东;马列
 
蜂窝密封技术应用领域
据互联网,蜂窝密封技术是航天工业针对高温及高压差工况下开发出的高级密封技术。美国航天飞机、U2及F16战斗机上均应用了蜂窝汽封。我国最新型的战斗机及民用飞机发动机上也大都采用该技术,平均效率提高了10%。在电力行业,西屋公司也较早引入蜂窝汽封,其主要是安装在汽轮机低压缸的末级叶片的顶部密封上,不仅可以提高效率,而且用蜂窝的网孔可以吸附水滴,从而有效除湿、保护叶片。先进的金属蜂窝封严结构是实现叶尖间隙密封的典型的封严结构之一,已广泛应用于汽轮机、燃气轮机、航空发动机的设计和制造及技术改造。蜂窝结构是可磨损材料,可以将叶尖与机闸间隙设计到最小值,从而减少漏气(汽),提高效率和降低能耗,又可提高转动系统的稳定性,保证叶片不会与机匣或缸体产生磨擦而发生危险。GENERAL ELECTRIC, ROLLS-ROYCE, PRATT&WHITNEY , WESTING HOUSE、三菱重工等世界著名航空及发电设备制造公司均采用了该项技术。
蜂窝密封技术市场前景
据《ИВУЗ  Энергетнка》2002年5~6月号报道,提高涡轮和压气机经济性和可靠性的方法之一是减少与工质沿装置旋转零件和静止零件之间各种间隙漏泄有关的损失。与传统的曲径式密封相比,蜂窝状密封在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度;允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸;蜂窝结构的几何形状应该根据能反映这些结构因素和状态参数影响的多因素试验进行优化。在上个世纪90年代初,美国航天领域的科学家在研究航天飞机液体燃料涡轮泵的密封问题时,试验发现蜂窝状形式的密封可产生很好的封严效果,便开始在航天飞机、飞机发动机及燃汽轮机上推广使用。随后便将蜂窝式密封技术应用在汽轮机上。近些年来西屋公司进口中国的300MW、350MW、600MW及650MW核电机组上均采用此项新技术,效果甚佳。因此蜂窝密封作为当今世界最先进的一种密封方式,在减少径向间隙值时,可借助于优化密封蜂窝室几何参数的关系显著提高了涡轮机械的经济性,确保电厂的经济和安全效益。
 
参考文献:
1. 刷式密封研究的进展
   中国电机工程学报  2001,21(12) 28~32
2. 蜂窝密封减振机理的实验研究
中国机电工程学报  2001,21(10) 24~27
3. 涡轮机蜂窝状密封优化的方法
   热能动力工程  2003,18(3) 275
4. 改进型汽轮机密封装置
   公告号:CN2586817Y    公告日:2003年11月19日
5. 新型汽轮机组级间密封及轴封装置
   公告号:CN2405012     公告日:2000年11月08日
6. FW系列 蜂窝气封系列
7. 新型汽轮机组密封装置-FW系列蜂窝式密封
8. ADE-HS的应用
   www.andertechs.com
9. Annular seals as tools to control rotordynamic response of
future gas turbine engines
AIAA,ASME,SAE, and ASEE, Joint Propulsion Conference and
Exhibit, 30th ,Indianapolis, IN, June 27-29,1994,10p..
10. Honeycomb-Brazing Essentials for Successful Use As Turbine Seals
   http://www.industrailheating.com
11. FEATURES OF GAS FLOW IN RADIAL CLEARANCES OF INBRANDERING
BLADES WITH HONEYCOMB SEALS
    http://www.pp.bme.hu/tr/2001_1/pdf/tr2001_1_02.pdf
12. Grooved honeycomb labyrinth seal for steam turbines
    PN:  US4416457    PD:  1983-11-22
13. Honeycomb structure seal for a gas turbine and method of
    making same
PN:  US6251494    PD:  2001-6-26
14. Gas Turbine Seal Apparatus
    PN:  US6189891    PD:  2001-2-20
 

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