汽輪機(jī)插管密封性能研究

徐曉康+王振鋒+孫偉+曾婭+米斌

摘 要：通過對當(dāng)前常用的汽輪機(jī)插管結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能分析，推出一種新型的插管密封設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；進(jìn)汽插管；抽汽插管；密封性能

中圖分類號(hào)：TK263 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.037

進(jìn)汽和抽汽插管對當(dāng)前常規(guī)汽輪機(jī)來說，都是必不可少的關(guān)鍵部件，起著連接內(nèi)外缸汽流通道的作用。由于是裝配部件，為了安裝的方便以及考慮內(nèi)、外缸之間的膨脹空間，插管兩端必然會(huì)有一處存在可活動(dòng)的配合，帶來的間隙會(huì)導(dǎo)致蒸汽從間隙處泄漏到內(nèi)外缸夾層，無法進(jìn)入通流做功，降低汽輪機(jī)效率。如何減少插管處漏汽，優(yōu)化插管密封結(jié)構(gòu)，前人已經(jīng)作了很多努力，取得了一定的成果。下面將對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)推出一種新的設(shè)計(jì)理念。

1 插管密封現(xiàn)狀及案例分析

汽輪機(jī)使用插管的位置有很多，總的來說，可以分為進(jìn)汽插管和抽汽插管2種，但是不管是哪種插管，其工作原理是一致的，都是通過密封圈與插管、汽缸之間的配合間隙來限制汽流的通過。從密封圈的型式來分，可以分為活塞環(huán)密封和疊片式密封2種，活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)因其安裝、拆卸的不方便，已經(jīng)逐漸被疊片式密封結(jié)構(gòu)取代。本文僅對疊片式密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。圖1為疊片式密封結(jié)構(gòu)。

舉例來說，案例1和案例2代表2處插管結(jié)構(gòu)，采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，并采用表1所示的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。

根據(jù)表1的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行冷態(tài)安裝和熱態(tài)運(yùn)行間隙計(jì)算，所得結(jié)果如表2所示。

案例1中，冷態(tài)和熱態(tài)間隙相差不大，根據(jù)熱態(tài)間隙情況，可以認(rèn)為密封是合格的。

案例2中，緊圈冷態(tài)、熱態(tài)間隙不變，但松圈熱態(tài)間隙從冷態(tài)的過渡配合變成了大間隙配合，熱態(tài)運(yùn)行間隙達(dá)到了0.3～0.35，按最大漏汽面積算，增大了近10倍，密封不合格。

除了熱態(tài)密封性能之外，2個(gè)案例還存在一個(gè)共同的問題——松圈過渡配合，必須要通過冷凍密封圈的方式安裝，緊圈安裝間隙最大才0.05 mm，間隙過小，裝拆不便。

通過前面的案例分析，可以看出之前的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)比較死板，材料換了，使用溫度改變了，但是安裝間隙不變，小間隙及過渡間隙配合給安裝帶來了很大的不便，而過渡間隙的安裝并不能保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)的密封要求。如何才能解決上述案例中存在的密封、安裝問題，我們接下來討論。

2 插管密封的改進(jìn)

換一種思路來考慮前面提出來的問題，我們需要的是運(yùn)行狀態(tài)下小間隙甚至是過渡配合，再安裝狀態(tài)大間隙。那么我們先確定運(yùn)行狀態(tài)間隙。如果要安裝狀態(tài)大間隙，就需要緊圈的線脹系數(shù)小于插管，松圈的線脹系數(shù)大于汽缸。這就將間隙設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)換到密封圈材料的選擇上來，具體實(shí)施見表3.

汽缸和插管材料及尺寸不變，把緊圈材料改為線脹系數(shù)小于插管的材料GJA，將松圈材料改為線脹系數(shù)大于汽缸的材料GJB，以熱態(tài)運(yùn)行間隙為已知條件，反向計(jì)算得到緊圈內(nèi)徑和

松圈外徑及冷、熱態(tài)間隙結(jié)果，見表4.

3 改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果分析

思路轉(zhuǎn)換后形成的2個(gè)改進(jìn)方案，以運(yùn)行間隙為目標(biāo)來選擇材料反算安裝間隙，緊圈安裝間隙最小為0.13，松圈最小間隙達(dá)到0.7，效果很明顯，不僅熱態(tài)運(yùn)行間隙保證了密封要求，冷態(tài)安裝間隙也增大到不需要冷凍輔助就能順利安裝的程度，完全達(dá)到了插管密封的要求，改進(jìn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)初衷。

通過以上對插管密封的計(jì)算和分析結(jié)果，可總結(jié)出以下改進(jìn)原則：①汽缸、插管條件及使用溫度確定的情況下，通過松、緊圈材料的選擇來保證大的安裝間隙和小的運(yùn)行間隙；②緊圈材料的線脹系數(shù)小于插管，松圈材料的線脹系數(shù)大于汽缸，配合部套的線脹系數(shù)差值盡可能取大；③以熱態(tài)運(yùn)行間隙為目標(biāo)，通過各部件的熱膨脹差值來反算冷態(tài)安裝間隙，得到松圈外徑和緊圈內(nèi)徑。

4 結(jié)論

根據(jù)改進(jìn)原則選擇的材料和計(jì)算出的安裝間隙確保了插管密封圈結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的間隙變化趨勢是往間隙變小的方向發(fā)展的，溫度越高，間隙越趨近于設(shè)計(jì)間隙，符合設(shè)計(jì)思路；冷態(tài)大間隙的設(shè)計(jì)對汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)過程中缸溫變化和內(nèi)、外缸的相對膨脹有著積極的作用，能夠加快汽缸溫度與蒸汽溫度的匹配，縮短啟停機(jī)時(shí)間。