汽輪機插管密封性能研究

徐曉康+王振鋒+孫偉+曾婭+米斌

摘 要：通過對當前常用的汽輪機插管結構進行密封性能分析，推出一種新型的插管密封設計理念。

關鍵詞：汽輪機；進汽插管；抽汽插管；密封性能

中圖分類號：TK263 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.037

進汽和抽汽插管對當前常規汽輪機來說，都是必不可少的關鍵部件，起著連接內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、外缸之間的膨脹空間，插管兩端必然會有一處存在可活動的配合，帶來的間隙會導致蒸汽從間隙處泄漏到內外缸夾層，無法進入通流做功，降低汽輪機效率。如何減少插管處漏汽，優化插管密封結構，前人已經作了很多努力，取得了一定的成果。下面將對各種結構進行分析，同時推出一種新的設計理念。

1 插管密封現狀及案例分析

汽輪機使用插管的位置有很多，總的來說，可以分為進汽插管和抽汽插管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，可以分為活塞環密封和疊片式密封2種，活塞環密封結構因其安裝、拆卸的不方便，已經逐漸被疊片式密封結構取代。本文僅對疊片式密封結構進行研究。圖1為疊片式密封結構。

舉例來說，案例1和案例2代表2處插管結構，采用圖1所示的結構，并采用表1所示的數據設計。

根據表1的結構數據進行冷態安裝和熱態運行間隙計算，所得結果如表2所示。

案例1中，冷態和熱態間隙相差不大，根據熱態間隙情況，可以認為密封是合格的。

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

除了熱態密封性能之外，2個案例還存在一個共同的問題——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，可以看出之前的結構方案設計比較死板，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組運行時的密封要求。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

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

汽缸和插管材料及尺寸不變，把緊圈材料改為線脹系數小于插管的材料GJA，將松圈材料改為線脹系數大于汽缸的材料GJB，以熱態運行間隙為已知條件，反向計算得到緊圈內徑和

松圈外徑及冷、熱態間隙結果，見表4.

3 改進方案計算結果分析

思路轉換后形成的2個改進方案，以運行間隙為目標來選擇材料反算安裝間隙，緊圈安裝間隙最小為0.13，松圈最小間隙達到0.7，效果很明顯，不僅熱態運行間隙保證了密封要求，冷態安裝間隙也增大到不需要冷凍輔助就能順利安裝的程度，完全達到了插管密封的要求，改進結果符合設計初衷。

通過以上對插管密封的計算和分析結果，可總結出以下改進原則：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行間隙；②緊圈材料的線脹系數小于插管，松圈材料的線脹系數大于汽缸，配合部套的線脹系數差值盡可能取大；③以熱態運行間隙為目標，通過各部件的熱膨脹差值來反算冷態安裝間隙，得到松圈外徑和緊圈內徑。

4 結論

根據改進原則選擇的材料和計算出的安裝間隙確保了插管密封圈結構在運行過程中的間隙變化趨勢是往間隙變小的方向發展的，溫度越高，間隙越趨近于設計間隙，符合設計思路；冷態大間隙的設計對汽輪機啟動、停機過程中缸溫變化和內、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，縮短啟停機時間。