常規(guī)火電DAS汽封圈設(shè)計(jì)

錢禹龍徐曉康王娟麗

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

1 概述

對(duì)于火電汽輪機(jī)機(jī)組來(lái)說(shuō)，汽封圈是一個(gè)非常重要的部件，也是汽輪機(jī)必不可少的組成部分。它遍及汽輪機(jī)各大部套之中，引導(dǎo)蒸汽按照設(shè)計(jì)的方向流動(dòng)，阻擋了蒸汽的外泄以及竄動(dòng)。就一臺(tái)常規(guī)火力百萬(wàn)蒸汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，各種汽封圈加起來(lái)有一百多圈，保證汽輪機(jī)正常運(yùn)行，將過(guò)熱蒸汽內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能。

1.1 汽封圈的定義

在整臺(tái)汽輪機(jī)中，所有部套都可按照工作時(shí)是否旋轉(zhuǎn)分為“轉(zhuǎn)子件”和“靜子件”兩大類。例如，汽缸，隔板，導(dǎo)葉，汽封體，軸承箱等部套，在汽輪機(jī)工作時(shí)，除開自身熱膨脹外，理想狀況始終保持靜止，統(tǒng)稱為靜子；像轉(zhuǎn)子，動(dòng)葉這樣的部套，在汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于蒸汽通流，將自身的能量釋放，推動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)子[1]。

在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，靜子固定，因此靜子和轉(zhuǎn)子之間必須保持一定間隙，不使其相互摩擦。蒸汽流過(guò)汽輪機(jī)各級(jí)工作時(shí)，壓力、溫度逐級(jí)下降，在隔板兩側(cè)存在著壓差。當(dāng)動(dòng)葉片有反動(dòng)度時(shí)，動(dòng)葉片前后也存在著壓差，蒸汽除了絕大部分從導(dǎo)葉、動(dòng)葉形成的通道流過(guò)做功外，一小部分會(huì)從各種間隙中流過(guò)而不做功，成為一種損失，降低了機(jī)組效率。此外，當(dāng)前汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子都需要穿出汽缸，支撐在軸承上，此處必然也要留有間隙。對(duì)于高壓缸兩端及中壓缸前端，汽缸內(nèi)的蒸汽壓力大于外界大氣壓力，此處將有蒸汽泄漏出來(lái)，降低了機(jī)組效率。并造成部分凝結(jié)水損失。在中壓缸的排汽端和低壓缸兩端，因汽缸內(nèi)的蒸汽壓力低于外界大氣壓力，在主軸穿出汽缸的間隙中，將會(huì)有空氣漏入汽缸中，由于空氣在凝汽器中不能凝結(jié)，致使凝汽器真空度降低，增大了背壓，導(dǎo)致蒸汽做功能力下降，降低了效率。

為了減小上述各處間隙中的漏氣，又要保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，特設(shè)了一種特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這就是汽封圈。

1.2 汽封圈分類

汽封圈按照在汽輪機(jī)機(jī)組中的位置和所起的作用通常分為通流部分汽封、隔板汽封和軸端汽封三大類[2～4]。

此外，又可按汽封結(jié)構(gòu)和形式分為曲徑汽封（迷宮汽封）、碳精汽封和水封三種，由于后兩種在現(xiàn)代汽輪機(jī)中很少應(yīng)用，所以常規(guī)火電汽封圈通常采用曲徑汽封結(jié)構(gòu)。

曲徑汽封按照其齒形不同可分為平齒汽封、高低齒汽封和縱樹形汽封。本文所講到的DAS汽封圈，其汽封方式就是屬于迷宮式汽封中的高低齒汽封結(jié)構(gòu)。

2 DAS汽封圈結(jié)構(gòu)與原理

2.1 DAS汽封圈的結(jié)構(gòu)

圖1為常規(guī)火電DAS汽封圈結(jié)構(gòu)圖，由各汽封弧段，DAS汽封齒，圓柱彈簧以及安裝用的組件（壓板和螺釘）構(gòu)成。

圖1 DAS汽封圈結(jié)構(gòu)圖

汽封圈不像隔板一樣設(shè)計(jì)成上下兩半，是其特定的安裝方式?jīng)Q定的。汽封圈裝配是采用滑配方式，與隔板或者汽封體裝配，在隔板或者汽封體上開有與汽封圈截面尺寸對(duì)應(yīng)的汽封槽，汽封圈則需要從中分面逐段滑進(jìn)汽封槽中。通過(guò)弧段上的圓柱彈簧將其頂在汽封槽接配面上，予以固定。如果汽封圈設(shè)計(jì)成上下半，或者弧段過(guò)長(zhǎng)，則很難滑進(jìn)隔板（汽封體）上的汽封槽中。一般來(lái)說(shuō)，汽封圈各弧段弧長(zhǎng)在400 mm左右即可。

DAS汽封圈的內(nèi)環(huán)面有一定數(shù)量的汽封片與其裝配在一起，固定方式為斂縫。汽封片是汽封圈真正的工作部分，有長(zhǎng)有短，按照汽輪機(jī)熱膨脹的要求布置，在下面將會(huì)具體介紹。

在弧段的外環(huán)面，開有若干個(gè)放置圓柱彈簧的彈簧槽。彈簧槽的個(gè)數(shù)是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算選取的。

圖2為單個(gè)弧段汽封圈整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 單個(gè)弧段汽封圈整體結(jié)構(gòu)

圖3為壓板及螺釘結(jié)構(gòu)圖。汽封圈上半靠近中分面處的兩個(gè)弧段，分別設(shè)計(jì)有與壓板和螺釘配合的結(jié)構(gòu)，防止隔板或汽封體起吊時(shí)上半汽封圈從汽封槽中滑落。

圖3 壓板及螺釘結(jié)構(gòu)圖

2.2 DAS汽封圈工作原理介紹

按照常理來(lái)說(shuō)，如果想要完全阻止氣體通過(guò)某通道，那就必須完全封死。但是，在汽輪機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子與靜子之間有一定間隙才能保證轉(zhuǎn)子順利轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法做到完全封死通道。那么，汽封圈起到的作用就是盡可能減少漏氣。

圖4為汽封圈工作原理圖。以隔板汽封圈為例，汽封圈右側(cè)為高壓側(cè)，左側(cè)為低壓側(cè)。汽封圈滑進(jìn)隔板汽封槽中，左側(cè)為配合面，已貼死；汽封圈的汽封齒與轉(zhuǎn)子留有一定間隙（在后面介紹），則高壓側(cè)蒸汽只能通過(guò)其間隙流向低壓側(cè)。汽封圈的數(shù)圈汽封齒與轉(zhuǎn)子上面設(shè)計(jì)的城墻齒結(jié)構(gòu)配合形成一個(gè)個(gè)的小腔室，蒸汽在此間隙間通過(guò)時(shí)會(huì)在各個(gè)腔室內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)消耗掉蒸汽的動(dòng)能和內(nèi)能，從而降低蒸汽流出后的速度，達(dá)到降低漏汽量的目的。

圖4 汽封圈工作原理圖

為達(dá)到上述目的，就必須要求機(jī)組在運(yùn)行時(shí)汽封圈與隔板槽的各貼合面完全貼死。由圖4的壓力曲線可看出，汽封圈外側(cè)壓力大于內(nèi)側(cè)（轉(zhuǎn)子側(cè)）壓力，無(wú)論在汽封圈的哪個(gè)弧段上，蒸汽力永遠(yuǎn)指向轉(zhuǎn)子。

圖5為汽封圈的受力分析。

圖5 汽封圈受力分析圖

由受力分析可知，對(duì)于上半汽封圈來(lái)說(shuō)，其力學(xué)平衡方程為式（1）：

要汽封圈與隔板配合面貼死，則要N支撐＞0。由式（1）可知，隔板支撐反力始終大于0，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

下半汽封圈的力學(xué)平衡方程為式（2）：

可見(jiàn)，若要N支撐＞0，則：

這就是DAS汽封圈設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，下面將介紹DAS汽封圈的設(shè)計(jì)方法。

3 DAS汽封圈的設(shè)計(jì)規(guī)范

DAS汽封圈設(shè)計(jì)主要包括汽封齒布置、汽封圈結(jié)構(gòu)和汽封圈支撐的設(shè)計(jì)。

3.1 汽封齒布置設(shè)計(jì)

圖6為汽封齒布置圖。汽封齒布置設(shè)計(jì)主要根據(jù)汽輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)，考慮包括轉(zhuǎn)子徑向圓跳動(dòng)，汽輪機(jī)整體軸向膨脹以及汽封圈在汽輪機(jī)所處的具體位置（工作溫度及壓力）而定的。其中各長(zhǎng)短齒的個(gè)數(shù)及間距，都要與轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)的城墻齒結(jié)構(gòu)相配合，具體設(shè)計(jì)方法都有專門的文獻(xiàn)做講解，這里就不再詳細(xì)介紹。本文著重講解汽封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及支撐設(shè)計(jì)。

圖6 汽封齒布置圖

3.2 汽封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括汽封圈弧段劃分以及弧段間隙計(jì)算。圖7為汽封圈弧段劃分圖。

圖7 汽封圈弧段劃分圖

汽封圈弧段劃分主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，等分后的汽封弧段的弧長(zhǎng)適中?；￠L(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，滑入汽封槽阻力較大，安裝不便；弧長(zhǎng)過(guò)短，汽封圈劃分的弧段數(shù)過(guò)多，加工不便也比較繁瑣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，首先得確保汽封弧段上下各半，也就是說(shuō)弧段是必須為偶數(shù)。其次，劃分后的弧長(zhǎng)一般為300～500 mm，可以根據(jù)具體情況微調(diào)，為了便于計(jì)算，通常在6、12、24這3種之間選擇。

弧段間隙計(jì)算的本質(zhì)，是將汽封圈的周向膨脹用安裝間隙來(lái)抵消。從汽封圈與汽封體的材料選擇的角度來(lái)講，汽封體體積較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，公差要求不高，制造工藝通常選擇鑄造；而汽封圈則屬于小零件，要求加工精細(xì)，公差要求嚴(yán)格，所以制造上采用機(jī)加工。那么在滿足材料強(qiáng)度及屈服要求的前提下，二者選擇的是不同類型的材料。汽封體鑄件使用的材料（如ZG230-450，Q345-B，Q235-B等）在相同參數(shù)下的線膨脹系數(shù)較汽封圈材料（如15CrMoA，10Cr9Mo1VNb等）低，所以汽封圈在工作時(shí)，比汽封體膨脹得快。為抵消兩者膨脹的差值，就需要在汽封圈設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝間隙。

安裝間隙的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，即運(yùn)用汽封體（汽缸）與汽封圈材料在工況下彼此線膨脹系數(shù)的差值，求得相應(yīng)的間隙值，見(jiàn)式（4）。

式中：G為設(shè)計(jì)安裝間隙，mm；d為汽封圈最大直徑，mm；T為工況下溫度，℃；α1為汽封圈材料線脹系數(shù)；α2為汽封體（汽缸）材料線膨脹系數(shù)。

由于汽封圈是上下半分裝，所以安裝間隙分為上下兩半，數(shù)值分別為算出的總間隙除以2。

3.3 汽封圈的支撐設(shè)計(jì)及計(jì)算

汽封圈的支撐設(shè)計(jì)及計(jì)算是汽封圈設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

目前所設(shè)計(jì)的DAS汽封圈，都是可退讓汽封圈。所謂可退讓，就是指汽封圈有一定的回彈余量；當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果轉(zhuǎn)子徑向圓跳動(dòng)高于計(jì)算值，吃掉了汽封圈與轉(zhuǎn)子之間的間隙，那么轉(zhuǎn)子就會(huì)與汽封圈最里層的汽封齒相撞。圖8為汽封圈間隙退讓示意圖。如果汽封圈是剛性裝配在汽封體或者汽缸上的，那這樣的撞擊很可能會(huì)打壞汽封圈，損壞汽封體，劃傷轉(zhuǎn)子，嚴(yán)重危及機(jī)組的安全。

圖8 汽封間隙退讓圖

DAS汽封圈的圈頭部與汽封體之間有一個(gè)彈簧，各弧段是靠彈簧與汽封體間接相連的。當(dāng)轉(zhuǎn)子撞擊汽封齒的時(shí)候，彈簧就起到了一個(gè)很好的緩沖作用，使得汽封圈與汽缸變成了柔性裝配。

由DAS汽封圈結(jié)構(gòu)可知，其支撐設(shè)計(jì)實(shí)際上就是彈簧的選擇與布置。

圖9為汽封圈剖面圖。由汽封圈弧段受力分析可知，上半汽封圈受到向下的彈簧彈力以及汽封體（汽缸）對(duì)弧段的反向（向上）支撐力。所以彈簧彈力對(duì)支撐基本沒(méi)有作用。而下半汽封圈的重量則全部壓在彈簧之上，如前文介紹。簡(jiǎn)化計(jì)算后，則等效于下半圈汽封圈的重量由下半圈汽封圈上的彈簧平衡，并提供一定的回彈余力。

圖9 汽封圈剖面圖

簡(jiǎn)化之后的計(jì)算公式及判斷方法如下：

式中：H為彈簧工作時(shí)的變形量，H=D原-D，另外要求，H+A≤Hmax，mm；G為整圈汽封的重量，G=mg，N；K為合力系數(shù)，見(jiàn)下文；Z為汽封圈弧段數(shù)；n為每弧段彈簧個(gè)數(shù)；k為彈簧在工況下的鋼度系數(shù)。

確定變量的取值時(shí)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗定整個(gè)汽封圈的弧段數(shù)Z；再由幾何尺寸確定彈簧規(guī)格（直徑d）；最后調(diào)整每弧段彈簧數(shù)，來(lái)滿足不等式的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，D值是可以自由調(diào)整，以滿足H的要求；A值大小通常情況下取3.15 mm，無(wú)特殊情況不做更改。合力系數(shù)K的選取，是由汽封圈弧段數(shù)以及每弧段彈簧數(shù)確定后，由下半汽封圈彈簧受力分析得出的下半彈簧向上合力除以彈簧個(gè)數(shù)與每個(gè)彈簧彈力之積的結(jié)果。旨在簡(jiǎn)化彈簧向上合力的計(jì)算過(guò)程。表1給出了6弧段汽封圈不同彈簧數(shù)對(duì)應(yīng)的合力系數(shù)。

表1 6弧段汽封圈合力系數(shù)

由表1可知，6弧段汽封圈設(shè)計(jì)時(shí)，隨著每弧段彈簧數(shù)的增加，合力系數(shù)越來(lái)越接近0.645。根據(jù)多次計(jì)算得出，不同弧段數(shù)也存在著相同的規(guī)律，其數(shù)值在弧段彈簧數(shù)較多時(shí)，同樣接近0.645。所以，在工程計(jì)算中，小數(shù)點(diǎn)后三位的誤差如果忽略，那么在計(jì)算彈簧時(shí)的合力系數(shù)，均可取0.645，誤差在允許范圍之內(nèi)。但是當(dāng)弧段彈簧數(shù)較少時(shí)，建議根據(jù)受力分析結(jié)果選取合力系數(shù)K。

另外，在計(jì)算彈簧剛度系數(shù)的時(shí)候，特別注意是在工作溫度下的彈性模量，其剛度系數(shù)計(jì)算方法在此不再做介紹。