軸向溫差對(duì)汽缸密封性的影響研究

施徐明，沈勁松

(1.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240; 2. 巨化集團(tuán)有限公司，衢州 324004)

2006年中國(guó)《可再生能源法》實(shí)行之后，可再生能源產(chǎn)業(yè)得到了較快發(fā)展。生物質(zhì)能是可再生能源的一個(gè)重要組成部分。目前中國(guó)生物發(fā)電總裝機(jī)容量位居世界第2位，但相對(duì)于能源消費(fèi)總量，生物質(zhì)能發(fā)展與其他國(guó)家相比仍然很緩慢。從運(yùn)行情況來看，歐洲國(guó)家實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的比例較高，這不僅提高了能源的使用效率，也增加了企業(yè)的盈利[1]。

這幾年，為了增加企業(yè)的盈利能力，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于生物質(zhì)垃圾發(fā)電的汽輪機(jī)需要滿足各種不同的供熱需求，因此不同項(xiàng)目的生物質(zhì)發(fā)電(供熱)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)差異較大，某些項(xiàng)目的機(jī)型設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)大通流級(jí)組的情況，級(jí)組進(jìn)出口溫差超過100 ℃。設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)通流段進(jìn)出口溫差過大會(huì)使相應(yīng)位置汽缸的中分面密封(以下稱密封)設(shè)計(jì)變得困難。

傳統(tǒng)的汽缸密封設(shè)計(jì)一般只考慮缸的內(nèi)外壓差，并設(shè)置一定的安全余量來選取密封螺栓的規(guī)格[2]。如果將汽缸的設(shè)計(jì)等效為壓力容器的設(shè)計(jì)，則需要考慮徑向溫差對(duì)缸體變形的影響。Bhaduri S[3]提出了一種由徑向溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力來計(jì)算圓柱形筒體的簡(jiǎn)便計(jì)算方法。然而很少有文獻(xiàn)研究軸向溫差對(duì)于汽缸設(shè)計(jì)的影響。本文總結(jié)了傳統(tǒng)汽缸密封螺栓的選型方法，通過有限元計(jì)算，分析軸向溫差對(duì)汽缸密封性的影響，通過簡(jiǎn)化的熱應(yīng)力解析式，預(yù)測(cè)軸向溫差所產(chǎn)生的密封應(yīng)力，以指導(dǎo)汽缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 只考慮壓差的汽缸螺栓選型

傳統(tǒng)的汽缸密封設(shè)計(jì)只考慮內(nèi)外缸的壓差，根據(jù)壓差載荷和安全修正系數(shù)來選取密封螺栓型號(hào)。對(duì)于溫度分布較均勻的汽缸，這種方法比較簡(jiǎn)便。國(guó)內(nèi)機(jī)組的計(jì)算方法與國(guó)外引進(jìn)機(jī)組的計(jì)算方法略有差別，但總體的計(jì)算思路都是一致的[4]。

一個(gè)汽缸的壓力沿軸向隨通流而逐級(jí)降低，法蘭受力示意圖如圖1所示。

圖1 法蘭受力示意圖

根據(jù)汽缸所承受的不同壓力來進(jìn)行載荷區(qū)段劃分,各區(qū)段蒸汽壓力載荷q按式(1)計(jì)算得到：

q=piri-poro

(1)

式中：pi為內(nèi)部壓力；po為外部壓力；ri為汽缸法蘭內(nèi)壁半徑；ro為汽缸法蘭外壁半徑。

假定靠近汽缸螺孔內(nèi)側(cè)接觸面的接觸應(yīng)力為零，并認(rèn)為法蘭為理想剛性體，通過杠桿原理，由圖1可將壓力載荷q'轉(zhuǎn)換為螺栓載荷qB：

(2)

式中：a為螺栓孔中心線至外法蘭邊的距離減去1/3外法蘭邊至螺栓孔內(nèi)邊的距離；c為螺栓孔中心線至汽缸壁厚中心的距離。

已知所需的螺栓載荷qB，根據(jù)螺栓許用應(yīng)力σB，由下式可得到單位尺寸法蘭所需的螺栓面積：

(3)

根據(jù)不同的螺栓規(guī)格和最小節(jié)距要求，可以得到單位尺寸法蘭上所需布置的螺栓數(shù)量。

2 軸向溫差對(duì)于汽缸的影響

某垃圾發(fā)電用汽輪機(jī)為50 MW抽凝機(jī)組，第1級(jí)為可調(diào)整抽汽，第2級(jí)為回?zé)岢槠?除氧+1個(gè)低加)。汽輪機(jī)剖面示意圖如圖2所示，在除氧抽汽和低加抽汽間有11級(jí)壓力級(jí)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)大持環(huán)，除氧抽汽口位于持環(huán)進(jìn)口前，除氧抽汽參數(shù)為1.123 MPa、259.1 ℃，低加抽汽口位于持環(huán)出口，低加抽汽參數(shù)為0.088 5 MPa、96.3 ℃。

圖2 汽輪機(jī)剖面示意圖

初步選定密封螺栓規(guī)格后，在上述螺栓布置方案的基礎(chǔ)上，用有限元計(jì)算分析汽缸的密封性能，在以往經(jīng)驗(yàn)中的危險(xiǎn)位置，即持環(huán)腰帶環(huán)處改用M80的螺栓。汽缸中分面密封如圖3所示。分析結(jié)果表明，汽缸中分面存在零接觸應(yīng)力區(qū)域，如圖3(a)所示，外汽缸中分面存在大于0.01 mm的張口區(qū)域，如圖3(b)所示，張口區(qū)域穿透了螺栓孔，不能滿足汽缸密封考核要求。

(a) 汽缸中分面接觸應(yīng)力

(b) 汽缸中分面張口

圖4為外汽缸的溫度場(chǎng)分布。具體分析汽缸漏汽位置，外汽缸與持環(huán)相配合的腰帶環(huán)處存在明顯的溫度梯度，腰帶環(huán)所隔開的兩個(gè)腔室的溫差有162.8 ℃，汽缸腰帶環(huán)前后存在較大的熱變形，圖4(a)為將應(yīng)變放大100倍后的效果。

(a) 汽缸變形及溫度云圖

(b) 溫度趨勢(shì)

圖4 外汽缸溫度分布及變形

為了更好地分析軸向溫差所導(dǎo)致的汽缸熱變形趨勢(shì)，將汽缸簡(jiǎn)化為一個(gè)等直徑的半圓筒，半圓筒分兩個(gè)溫度段，一段為300 ℃的高溫段，一段為100 ℃的低溫段，進(jìn)行有限元計(jì)算。半圓筒試驗(yàn)溫度分布如圖5所示，在兩個(gè)溫度段的交匯處存在明顯的溫度梯度，溫度分布不連續(xù)，半圓筒的水平中分面在高溫段和低溫段的交匯處有明顯的形狀突變。要使上下半兩個(gè)圓筒中分面貼合，需要施加一個(gè)額外的力來克服形變。

(a) 半圓筒試驗(yàn)溫度云圖

(b) 溫度趨勢(shì)

為了能快速估算軸向溫差引起的熱應(yīng)力，將汽缸等效為一個(gè)內(nèi)徑為ri，外徑為re的空心圓筒。該圓筒無外力作用，軸向兩端為自由端，其應(yīng)力狀態(tài)是由溫差引起的，溫度分布相對(duì)于坐標(biāo)軸z中心對(duì)稱，僅沿z方向變化。假設(shè)溫度變化t僅是z的函數(shù)，且與徑向坐標(biāo)r無關(guān)，剪切應(yīng)力τrz=0。下式為圓柱坐標(biāo)系下以位移和溫差表示的熱應(yīng)力方程組[5]：

式中：G為剪切彈性模量，G=E/2(1-μ)；β為熱應(yīng)力系數(shù)，β=aE/(1-2μ)，經(jīng)過降階簡(jiǎn)化，得到如下解析式：

(5)

式中：T0是圓筒某處的一個(gè)參考溫度，即用于快速評(píng)估汽缸分段熱應(yīng)力大小的參考溫度。溫度t僅是關(guān)于z的函數(shù)f(z)。如果在z處的溫度t大于T0，則該處的σr和σθ為壓應(yīng)力，反之為拉應(yīng)力。

式(5)的意義在于，在汽缸某段存在過大的軸向溫差的情況下，在設(shè)計(jì)方案之初快速評(píng)估所需的螺栓力。當(dāng)汽缸某段溫差超過100 ℃時(shí)，對(duì)于不同汽缸的材料，熱應(yīng)力量級(jí)在200～300 MPa，此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)汽缸密封，往往需要使用M120或規(guī)格更大的螺栓。有時(shí)在低溫低壓區(qū)段，大規(guī)格螺栓尺寸并不合適。因此在條件允許的情況下，在設(shè)計(jì)方案初期應(yīng)避免大通流級(jí)組的設(shè)計(jì)，通流級(jí)組段進(jìn)出口溫差應(yīng)控制在100 ℃以下。

3 結(jié)構(gòu)建議

溫度不連續(xù)導(dǎo)致的汽缸熱變形不協(xié)調(diào)，是軸向溫差影響汽缸密封的主要原因。大持環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖6所示。如果因某些特殊的原因需要進(jìn)行大級(jí)組通流設(shè)計(jì)，當(dāng)持環(huán)腰帶環(huán)前后溫差大于100 ℃時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)密封問題。

(a) 大持環(huán)結(jié)構(gòu)

(b) 持環(huán)的過渡腔室結(jié)構(gòu)

圖6 大持環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在持環(huán)排汽區(qū)域與腰帶環(huán)之間分隔出一個(gè)過渡腔室，如圖6(b)所示。過渡腔室增加了持環(huán)進(jìn)出口之間的傳熱距離，溫度梯度得以降低，使溫度分布趨于平緩，這樣就能使汽缸熱變形趨于協(xié)調(diào)，有效減小熱應(yīng)力載荷。

汽缸結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，原先螺栓布置方案不變，再次對(duì)外汽缸進(jìn)行有限元計(jì)算考核。圖7為改進(jìn)后的汽缸軸向溫度變化，可見汽缸軸向溫度分布趨于線性分布。圖8為改進(jìn)后的汽缸中分面密封情況，可見汽缸中分面接觸應(yīng)力大于工作壓差的1.3倍，中分面無張口，設(shè)計(jì)方案滿足了密封要求，漏汽問題得以解決。

圖7 改進(jìn)后的汽缸軸向溫度變化

(a) 改進(jìn)后的汽缸中分面壓應(yīng)力

(b) 改進(jìn)后的汽缸中分面張口

圖8 改進(jìn)后的汽缸中分面密封情況

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)方法只考慮汽缸內(nèi)外壓差來選擇汽缸密封螺栓，無法滿足汽缸密封要求。本文采用有限元法和解析法，分析了軸向溫差過大影響汽缸密封的機(jī)理，總結(jié)如下：

1)如果汽缸溫度分布不連續(xù)，汽缸的熱變形就會(huì)不一致，需要額外增加螺栓力，以克服熱變形，達(dá)到密封要求；

2)推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化解析式能夠在方案設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)軸向溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，并能修正螺栓的選取公式；

3)建議在設(shè)計(jì)時(shí)，將通流段進(jìn)出口的溫差控制在100 ℃以內(nèi)；

4)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，因某些特殊要求，通流段的軸向溫差過大，對(duì)此可以在通流段的進(jìn)出口之間分割出一個(gè)過渡腔室來改善汽缸的整體溫度分布，以減小熱應(yīng)力和密封螺栓載荷。