刷式密封的性能及应用

刷式密封的性能及应用
一、什么是刷式密封
在涡轮机械中，刷式密封是作为篦齿密封换代产品的身份产生的。

传统的篦齿密封是间隙密封，其泄漏量较大，造成了涡轮机的效率损失较大。

而且篦齿密封不能弹性变形，转子的膨胀及跳动都容易造成永久性的磨损，造成泄漏量的进一步加大，涡轮机的性能也因此进一步下降。

为了克服篦齿密封的这两大缺点，刷式密封的概念被提出，它不仅泄漏小而且还能允许转子的膨胀和跳动。

刷式密封的优越性能是由其特殊的结构所决定的。

图1所示是它的
图1 刷式密封的结构原理图
结构原理图。

它是由刷环和转子通过接触配合实现密封的，因此泄漏较小，大量试验表明，它的泄漏量只有传统篦齿密封的10-20%。

刷环由前挡板、后挡板以及压紧在两者之间的刷束通过焊接形成，而刷
束是由大量的细金属丝顺着转动方向排列形成的，它在转子膨胀或跳动时能进行弹性变形，不会造成密封面的严重磨损；如转子表面有耐磨涂层则能进一步减小这种接触磨损。

因此刷式密封具有了良好的动态适应性，允许转子的膨胀和跳动。

二、刷式密封对涡轮机械的性能提高
正如前说述，刷式密封的特殊结构决定了它具有泄漏低和允许转子膨胀及跳动的两大优越性，所以在对涡轮机械的效率的提高上也是相当显著的：在航空发动机中，只将一处或几处关键部位的篦齿密封用刷式密封替换，就可以将发动机的推力提高1-3%，燃油消耗率下降了3-5%；在固定式燃气轮机中，只是在高压密封处采用刷式密封，就可以使机组功率输出提高1%左右，热耗率降低0.5%左右；在蒸汽轮机中，只在动叶顶部采用刷式密封就可以获得1%左右的效率收益。

刷式密封的工程应用不仅具有较高的经济性，对于在使用中的涡轮机械的性能提高方面还具有改造所需时间少、改造成本低的优越性。

同时，刷式密封具有可靠的安全性，易于更换，维修方便，同时由于它与转子是柔性接触，因此还可以改善转子的稳定性。

三、刷式密封的安装使用
刷式密封在涡轮机械中一般安装在以下几个部位：级间，轴端、叶顶部位、内部隔板和轴承腔等，一般每一级上采用1个刷封，轴端采用3-6个。

另外，为了增加刷式密封使用的可靠性，一般将其与篦齿密封组合使用，即将多级篦齿中的一级用刷式密封替代。

如图2所示。

图2 刷式密封与篦齿密封的组合使用
在使用的安全性方面，目前单级刷式密封能承受最高温度为923K，最大线速度为366m/s，最大压比4.9（承压2.2MPa）。

另外在耐高温和抗水汽腐蚀、接触摩擦时的脱落问题、气流冲刷下的刷丝排列有序性等方面，经过大量的工艺试验，确保了使用的安全性。

四、刷式密封的应用实例
早在1983年，英国Rolls Royce就在RB-199发动机上进行了首次成功的刷式密封试验。

1989年，该公司V2500-A1发动机成为刷式密封获取执照的第一台生产型航空发动机，之后刷式密封在世界各国生产的航空发动机中得到了广泛的运用。

刷式密封在航空发动机中的优越表现使其工程应用逐步扩展到地面涡轮机中，90年代中期英美德等国家都开始了刷式密封在地面涡轮机中应用的实验研究。

美国的GE公司已经将刷式密封成功地应用于固定式燃气轮机和汽
轮机中，到2005年为止，该公司已将刷式密封应用于70余个固定式燃气轮机中，其中有9个用于性能监测。

通过工程应用获得的刷式密封的使用位置与所得收益的对用关系见表1。

到2004年为止，GE公司已有8台具有级间、轴端、动叶顶部刷式汽封组合的汽轮机组投入使用，其中有200MW的工业汽轮机组和900MW的大型电站汽轮机组。

通过工程应用获得的刷式密封在汽轮机中的使用位置与所得收益的对应关系。

1999年，Tampa Eleatric Big Bend电站对其444MW的GE G2型汽轮机进行了刷式汽封改造，改造后电站测试显示，在大流量工况下，汽轮机组出力增加了 3.6%。

由于机组在改造前的运行情况良好，因此电站将这些效率收益都归功于刷式汽封的采用。

在国内，哈尔滨汽轮机厂首先在其生产的200MW的汽轮机组上应用了刷式密封，南京汽轮电机（集团）有限责任公司也与GE公司合作，在其生产的6000系列燃气轮机中采用了刷式密封。

上汽厂、东汽厂也都准备在各自生产的机组中使用刷式密封。

大同一电和湖南来阳电厂已成功将刷式密封应用于哈汽厂生产的超高压200MW汽轮机组中。

新余电厂在2000年大修期间将通流部分改造为刷式密封，运行一年后热力性能试验表明：高压部分内效率提高0.61%,中压部分内效率提高1.1%,热耗率降低31.03KJ/KWh。

机组循环效率提高0.25%左右。

来阳电厂在轴端采用了刷式汽封后，漏气量降低了70%左右。