汽輪機(jī)高中壓缸內(nèi)外缸間夾層的可退讓式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

虞國平

(浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引言

當(dāng)前，隨著汽輪機(jī)容量及蒸汽參數(shù)的不斷提高，汽缸內(nèi)外壁承受的壓力差增大使得相應(yīng)缸壁、法蘭、螺栓等部件增厚、加粗。當(dāng)部件存在較大溫度梯度時會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重影響機(jī)組安全[1]。因此大型汽輪機(jī)的高、中壓缸普遍采用雙層缸結(jié)構(gòu)，這樣每層缸體承受的壓力差相對變小，從而可以減薄內(nèi)、外缸的壁厚，降低外缸的鋼材用料等級，并在機(jī)組啟停機(jī)時可加快汽缸的加熱和冷卻過程[2-3]。然而，這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件數(shù)量增加，接口、密封面增多，漏汽風(fēng)險(xiǎn)變大[4]。為此很多學(xué)者展開各項(xiàng)針對性的研究[5-6]。文獻(xiàn)[7]分析了造成汽輪機(jī)缸體中分面張口的原因，并提出從增加筋板和優(yōu)化焊接方式等角度提升內(nèi)缸強(qiáng)度。文獻(xiàn)[8]基于鎳基金屬高溫膨脹的特性，將其應(yīng)用于汽缸中分面漏汽位置密封。文獻(xiàn)[9]給出了一種汽輪機(jī)刷式汽封方法，用于轉(zhuǎn)子與缸體連接部的密封。文獻(xiàn)[10]描述了高中壓缸內(nèi)外缸與進(jìn)出汽管件間的密封方法。文獻(xiàn)[11]對低壓缸抽汽膨脹節(jié)進(jìn)行失效分析，為后期備件優(yōu)化改型提供參考。除此類傳統(tǒng)密封面外，對于高中壓缸合缸的大型汽輪機(jī)，內(nèi)外缸之間還存在夾層空間。機(jī)組運(yùn)行時，壓力較高的高壓缸排汽會經(jīng)夾層流向壓力較低的中壓缸排汽區(qū)，夾層蒸汽的竄流會對缸體造成一定的危害。如竄流會強(qiáng)化內(nèi)缸外壁的冷卻效果，使得內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差增加，造成內(nèi)缸熱應(yīng)力的增加而產(chǎn)生內(nèi)張口，使內(nèi)缸蒸汽發(fā)生泄漏，甚至影響汽缸壽命；溫度較低的夾層蒸汽與中壓缸三級抽汽混合，會使實(shí)際抽汽溫度下降；夾層蒸汽與中壓缸排汽混合，使中壓缸缸效虛高，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性[12]。本文提出了一種高中壓缸內(nèi)外缸夾層密封結(jié)構(gòu)。通過在夾層間設(shè)置彈性密封組件來適應(yīng)內(nèi)缸和外缸因溫度變化產(chǎn)生的形變，利用彈性推拉機(jī)構(gòu)確保密封件外緣與外缸內(nèi)壁面始終保持接觸，減小了膨脹間隙，確保各獨(dú)立腔室間始終保持相對密封。

1 常規(guī)密封結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用局限性

為避免夾層蒸汽流動，傳統(tǒng)方法選擇在夾層增設(shè)隔熱板。即在高壓和中壓內(nèi)缸外壁上各設(shè)一圈隔熱板(圓環(huán)形)，隔熱板與高中壓外缸內(nèi)壁對應(yīng)位置的環(huán)形表面之間保留了適當(dāng)?shù)呐蛎浛障?。在夾層中部，外缸內(nèi)壁上的定位環(huán)插置定位在內(nèi)缸外壁的定位槽，將夾層分隔成前后兩個區(qū)域。通過上述結(jié)構(gòu)可有效減少夾層中高壓缸排汽流竄到中壓缸排汽區(qū)域，防止內(nèi)缸的外壁被過分冷卻，維持內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差在合理的范圍內(nèi)。

但是，實(shí)際運(yùn)行中往往因上下缸溫差不同以及軸向推力的變化影響，這樣的夾層密封設(shè)計(jì)達(dá)不到密封的效果。在冷態(tài)時接觸緊密的精加工面并不能保持整圈完全接觸，熱態(tài)運(yùn)行時存在較大的漏汽現(xiàn)象。文獻(xiàn)[13]指出縱使在夾層設(shè)置隔熱板，但預(yù)留的間隙過大也會造成汽缸變形。文獻(xiàn)[14]利用有限元方法分析了啟動過程高中壓缸內(nèi)外壁溫差過大是由于高壓缸排汽有少量直接通過夾層進(jìn)入到中壓缸，從而對內(nèi)缸外壁直接冷卻，并指出解決高排蒸汽的漏汽問題能降低機(jī)組熱應(yīng)力水平，提高機(jī)組效率。

針對傳統(tǒng)高中壓缸夾層密封結(jié)構(gòu)密封效果較弱的問題，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。在定位槽與定位環(huán)之間的空間靠近高壓側(cè)安裝多道可退讓式汽封齒并增加軟密封盤根、以及在兩道隔熱板上各增加一圈可退讓式或鑲嵌式汽封齒，通過增加流動阻力和減少流動空間來減少夾層蒸汽流量。這樣的改進(jìn)在短時間內(nèi)比較有效，但隨著運(yùn)行時間的增加，盤根會因破碎或移位、熱膨脹等原因，逐漸喪失阻流特性，夾層竄汽現(xiàn)象并無明顯改善。

針對能夠適應(yīng)夾層腔體形變的密封方法的研究除了考慮新材料外，通過結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械組件實(shí)現(xiàn)密封需求也不失為一種選擇方式。

2 新型密封裝置的布置及結(jié)構(gòu)

2.1 新型密封裝置的布置

對于帶內(nèi)外缸夾層的高中壓合缸機(jī)組，新型夾層彈性密封結(jié)構(gòu)位于汽輪機(jī)高中壓缸環(huán)狀夾層中，通過安裝多個環(huán)形密封組件將夾層分割成若干獨(dú)立環(huán)狀腔室，如圖1所示?？梢钥闯?，該型缸體結(jié)構(gòu)布置了三組密封組件。除了在高壓缸和中壓缸內(nèi)各安裝一組密封組件外，考慮到內(nèi)缸中壓段和高壓段內(nèi)溫度和壓力均不相同，使得中壓夾層段、高壓夾層段需要具有獨(dú)立調(diào)節(jié)溫度和壓力的功能，所以還選擇在高壓缸與中壓缸連接部分增加一組密封組件，從而確保中壓夾層段、高壓夾層段相對密封獨(dú)立。整個環(huán)形夾層被三組密封組件分割形成四段獨(dú)立腔室，四段環(huán)狀腔室包括中壓排汽段、中壓夾層段、高壓夾層段以及高壓排汽段。

圖1 新型密封結(jié)構(gòu)安裝位置示意圖

2.2 新型密封裝置的結(jié)構(gòu)

本文提出的新型密封組件由多個部件組成，每個組件都具有特定的功能，所有組件裝配在一起最終實(shí)現(xiàn)夾層各腔體互為密封。

(1)密封件

密封件是一種扇面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過多個密封件前后搭接形成一個完整的環(huán)形組件，將夾層腔分割成兩個獨(dú)立腔室。為提高密封件間搭接處的氣密性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對每個密封件的兩個端面(第一端和第二端)進(jìn)行特殊處理。如圖3所示，密封件第一端的端面向外延伸形成豎置擋板和橫置擋板。豎置擋板為延伸結(jié)構(gòu)的豎向部分，橫置擋板為延伸結(jié)構(gòu)的橫向部分，整個第一端截面呈L形，第二端截面呈方形。通過其第一端的內(nèi)凹面可滑動地包裹相鄰密封件第二端，使得第二端端部能搭接在第一端L形內(nèi)凹面上。

圖2 密封件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 相鄰密封件搭接示意圖

(2)引導(dǎo)環(huán)槽

為了將密封件固定在內(nèi)缸的外壁面上，需要在隔熱環(huán)或定位環(huán)上開設(shè)一圈引導(dǎo)環(huán)槽，如圖4所示。其中，槽口一側(cè)設(shè)有限位凸條，結(jié)合密封件側(cè)部的卡位凸條，可以防止密封件軸向移動，起到引導(dǎo)密封件沿內(nèi)缸徑向移動的作用。同時，限位凸條與引導(dǎo)環(huán)槽底面間形成供卡位凸條徑向移動的空間，并通過卡位凸條來防止密封件脫離引導(dǎo)環(huán)槽。

(3)彈性推壓機(jī)構(gòu)

當(dāng)內(nèi)外缸受溫度影響產(chǎn)生變形時，夾層腔室發(fā)生形變。同時，密封件也產(chǎn)生形變，但這種形變很小，不足以彌補(bǔ)夾層腔室變形，導(dǎo)致密封件與外缸內(nèi)壁之間形成漏汽間隙，削弱了密封效果。為確保密封件始終與外缸內(nèi)壁接觸，需要額外提供給密封件一個徑向推力，方向由內(nèi)向外。因此選擇利用彈簧裝置，如圖5所示，在引導(dǎo)環(huán)槽底面，沿徑向開設(shè)容置彈簧的容置腔，并將彈簧一端固定在容置腔底面上，另一端與密封件接觸。容置腔與其內(nèi)的彈簧構(gòu)成一個彈性推壓機(jī)構(gòu)。

圖5 相鄰密封件端面分離時的剖視結(jié)構(gòu)示意圖

(4)隔熱環(huán)

引導(dǎo)環(huán)槽是附著在高壓或中壓缸內(nèi)缸外壁上的環(huán)形槽道結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)起到了固定密封件的作用。對于早期已完成設(shè)計(jì)投產(chǎn)的機(jī)組，其初始設(shè)計(jì)中并沒有預(yù)留該結(jié)構(gòu)，如果直接在內(nèi)缸外壁面開槽會改變內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，削弱其承壓能力進(jìn)而影響機(jī)組安全運(yùn)行。因此，可以在內(nèi)缸外壁面安裝隔熱環(huán)，引導(dǎo)環(huán)槽直接布置在隔熱環(huán)上，這樣既能保證內(nèi)缸的完整性，又能保持各夾層腔室的氣密性。如圖1所示，中壓排汽段與中壓夾層段間、高壓夾層段與高壓排汽段間的內(nèi)缸外壁區(qū)段上設(shè)有環(huán)狀隔熱環(huán)。隔熱環(huán)上還設(shè)有平衡孔，用于平衡中壓排汽段與中壓夾層段間、高壓夾層段與高壓排汽段間的汽壓。隔熱環(huán)外緣面靠近外缸內(nèi)壁設(shè)置，具有阻隔熱量傳遞的作用。密封組件設(shè)置在隔熱環(huán)上，由于隔熱環(huán)與外缸間距較小，使得需要密封環(huán)封堵的面積也較小，有效提高密封性能。

(5)定位槽

與高、中壓缸夾層腔體上布置的隔熱環(huán)不同的是，中壓夾層段與高壓夾層段間的外缸內(nèi)壁區(qū)段上為環(huán)狀定位環(huán)，內(nèi)缸外壁上設(shè)有供所述定位環(huán)插接卡置的定位槽。定位槽與定位環(huán)接觸面通過精加工緊密貼合，將夾層分隔成前后兩個區(qū)域。將引導(dǎo)環(huán)槽設(shè)置在定位槽底面處，如圖6所示。通過上述結(jié)構(gòu)可有效減少夾層高壓缸排汽流竄到中壓缸排汽區(qū)域，防止內(nèi)缸的外壁被過分冷卻，維持內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差在合理的范圍內(nèi)。

圖6 定位環(huán)處密封組件剖視結(jié)構(gòu)示意圖

3 可退讓式密封裝置的工作原理

3.1 工作原理

首先，將扇形密封件搭接形成環(huán)狀密封。當(dāng)密封件上的第一端完整插接在相鄰密封件的第二端上時，第一端端面匹配抵觸在第二端端面上，橫置擋板和豎置擋板分別完整地貼合在第二端部側(cè)壁上，多個密封件首尾銜接形成一個完整的密封環(huán)。此時，密封環(huán)內(nèi)緣直徑最小，彈簧壓縮形變最大。密封環(huán)外緣抵在外缸內(nèi)壁上，密封環(huán)內(nèi)緣位于引導(dǎo)環(huán)槽內(nèi)。

當(dāng)夾層截面輪廓寬度隨內(nèi)缸和外缸形變而變大時，密封件在彈簧彈性恢復(fù)力作用下沿引導(dǎo)環(huán)槽豎向(徑向)升起，確保密封件外緣始終密封貼合外缸內(nèi)壁。此過程中，由于各密封件均沿內(nèi)缸徑向向外移動，使得相鄰密封件間的第一端端面和第二端端面間脫離，導(dǎo)致橫置擋板和豎置擋板與對應(yīng)的第二端部側(cè)壁間發(fā)生偏移，但第二端部側(cè)壁仍舊有部分側(cè)壁密封貼合在橫置擋板或豎置擋板上，如圖7所示。兩個擋板起到封堵第一端端面與第二端端面間隙的作用，確保相鄰獨(dú)立腔室間氣流不會發(fā)生竄流。對安裝在隔熱環(huán)上的密封件，由于隔熱環(huán)自身具有一定高度，隔熱環(huán)與外缸間距較小，密封件徑向位移量也較小。限位凸條和卡位凸條限制了密封件的軸向位移的同時也決定了徑向位移量。隔熱環(huán)使得僅需要設(shè)置很少的徑向位移量就能滿足密封需求。

圖7 相鄰密封件端面分離時的剖視結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1) 密封件

密封件主要承受兩側(cè)的蒸汽壓力，特別是位于定位環(huán)內(nèi)的密封件，兩側(cè)蒸汽壓差較大。若材料選擇不當(dāng)，大壓差會致使密封件變形，影響密封效果。因此對密封件制造材料的選擇，材料抗剪強(qiáng)度必須滿足極限壓差工況要求。

值得指出的是，密封組件數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，理論上密封組件數(shù)量越多，搭接面也越多，夾層密封性會變差，改造成本也會增加。因此，在確定密封組件數(shù)量過程中，需要綜合考慮改造成本與密封需求，但組成每個環(huán)形密封面的密封件數(shù)量不應(yīng)少于2個。

此外，對于密封件端面處的豎置擋板和橫置擋板，其外延長度必須大于密封件外擴(kuò)移動時第一端端面與第二端端面的間隙尺寸要求，使得密封件在進(jìn)行適應(yīng)性形變時始終保持密封功能。而位于定位槽內(nèi)的限位凸條和卡位凸條的空間高度應(yīng)大于夾層截面形變量，以此確保密封件移動量能滿足夾層形變量。

(2)引導(dǎo)環(huán)槽

引導(dǎo)環(huán)槽的槽口由于設(shè)置了限位凸條而形成口小腔大狀，密封件厚度與引導(dǎo)環(huán)槽槽口寬度一致，確保密封件可升降地插接在引導(dǎo)環(huán)槽內(nèi)，密封件內(nèi)緣通過卡位凸條卡置限位在引導(dǎo)環(huán)槽的槽腔內(nèi)。

(3)彈性推壓機(jī)構(gòu)

彈性推壓機(jī)構(gòu)的彈力足以克服密封件接觸端面處和密封件與引導(dǎo)環(huán)槽的摩擦力、密封件重力的分量。每個密封件對應(yīng)彈性推壓機(jī)構(gòu)數(shù)量的選擇需要綜合考慮組成環(huán)狀密封面(由多個密封件首尾搭接形成)的密封件數(shù)量，且每個密封件對應(yīng)的彈性推壓機(jī)構(gòu)數(shù)量不應(yīng)少于2個。容置腔用于安裝彈簧，起到限制彈簧形變的作用，確保彈簧的彈性恢復(fù)力能沿預(yù)設(shè)施力方向(徑向)施加作用力。

(4)定位槽

在高中壓缸夾層中部，外缸內(nèi)壁上的定位環(huán)插置在內(nèi)缸外壁的定位槽內(nèi)，以此作為內(nèi)缸軸向膨脹的相對死點(diǎn)。位于定位槽內(nèi)的密封組件既利用定位槽底面與定位環(huán)內(nèi)緣面間間距較小的優(yōu)勢，有效減小密封環(huán)封堵的面積，還能利用定位槽與定位環(huán)間彎折貼合面，提高密封性能。

3.3 裝配制造

密封組件加工過程中，密封環(huán)外緣與對應(yīng)抵觸的外缸內(nèi)壁、限位凸條外露側(cè)壁與對應(yīng)抵觸的密封環(huán)側(cè)壁均為可密封貼合的精加工面。精加工面具有較好的貼合度，使得相互貼合的精加工面在相互貼合滑動時仍舊具有較好的密封性，確保密封環(huán)根據(jù)夾層空間變化時始終保持預(yù)設(shè)密封性能。通過在上述位置設(shè)置精加工面，來確保密封環(huán)分別與外缸、內(nèi)缸貼合密封，進(jìn)而保證各獨(dú)立腔室間密封。在密封件沿引導(dǎo)環(huán)槽升降活動時，限位凸條外露側(cè)壁能沿密封環(huán)側(cè)壁貼合滑動，在相鄰密封環(huán)錯位分離時，密封環(huán)外緣始終沿外缸內(nèi)壁貼合滑動。豎置擋板上緣與密封件外緣平滑過渡，確保相鄰密封件錯位分離時，豎置擋板上緣始終能緊密貼合在外缸內(nèi)壁上。

裝配時保持彈簧處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)缸或外缸因溫度變化產(chǎn)生形變時，各密封件在對應(yīng)彈簧的驅(qū)動下確保密封件外緣面始終與外缸內(nèi)壁貼合。

4 結(jié)論及展望

本文針對傳統(tǒng)高中壓缸內(nèi)外缸夾層間的密封效果差、容易造成夾層蒸汽竄流的問題進(jìn)行研究，提出了一種新型夾層彈性密封裝置設(shè)計(jì)方法：

(1)將多個扇形密封件通過搭接的方式連接成環(huán)形密封結(jié)構(gòu)，并用于分割、密封夾層腔體；

(2)安裝在導(dǎo)引環(huán)槽內(nèi)的彈性推拉機(jī)構(gòu)牽引密封件與外缸內(nèi)壁貼合，密封件端部外延形成擋板重疊，保障了端部的氣密性。

該組件可以有效防止夾層漏汽情況發(fā)生，延長汽缸使用壽命。該密封部件設(shè)計(jì)方法適用性強(qiáng)，對多數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組的高中壓缸夾層密封改造都具有一定的借鑒意義。