常規火電DAS汽封圈設計

錢禹龍徐曉康王娟麗

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

1 概述

對于火電汽輪機機組來說，汽封圈是一個非常重要的部件，也是汽輪機必不可少的組成部分。它遍及汽輪機各大部套之中，引導蒸汽按照設計的方向流動，阻擋了蒸汽的外泄以及竄動。就一臺常規火力百萬蒸汽輪機來說，各種汽封圈加起來有一百多圈，保證汽輪機正常運行，將過熱蒸汽內能轉化為電能。

1.1 汽封圈的定義

在整臺汽輪機中，所有部套都可按照工作時是否旋轉分為“轉子件”和“靜子件”兩大類。例如，汽缸，隔板，導葉，汽封體，軸承箱等部套，在汽輪機工作時，除開自身熱膨脹外，理想狀況始終保持靜止，統稱為靜子；像轉子，動葉這樣的部套，在汽輪機運行時，由于蒸汽通流，將自身的能量釋放，推動其轉動，統稱為轉子[1]。

在工作時，轉子高速旋轉，靜子固定，因此靜子和轉子之間必須保持一定間隙，不使其相互摩擦。蒸汽流過汽輪機各級工作時，壓力、溫度逐級下降，在隔板兩側存在著壓差。當動葉片有反動度時，動葉片前后也存在著壓差，蒸汽除了絕大部分從導葉、動葉形成的通道流過做功外，一小部分會從各種間隙中流過而不做功，成為一種損失，降低了機組效率。此外，當前汽輪機的轉子都需要穿出汽缸，支撐在軸承上，此處必然也要留有間隙。對于高壓缸兩端及中壓缸前端，汽缸內的蒸汽壓力大于外界大氣壓力，此處將有蒸汽泄漏出來，降低了機組效率。并造成部分凝結水損失。在中壓缸的排汽端和低壓缸兩端，因汽缸內的蒸汽壓力低于外界大氣壓力，在主軸穿出汽缸的間隙中，將會有空氣漏入汽缸中，由于空氣在凝汽器中不能凝結，致使凝汽器真空度降低，增大了背壓，導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，又要保證汽輪機安全運行，特設了一種特殊的環狀結構，這就是汽封圈。

1.2 汽封圈分類

汽封圈按照在汽輪機機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，又可按汽封結構和形式分為曲徑汽封（迷宮汽封）、碳精汽封和水封三種，由于后兩種在現代汽輪機中很少應用，所以常規火電汽封圈通常采用曲徑汽封結構。

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構。

2 DAS汽封圈結構與原理

2.1 DAS汽封圈的結構

圖1為常規火電DAS汽封圈結構圖，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）構成。

圖1 DAS汽封圈結構圖

汽封圈不像隔板一樣設計成上下兩半，是其特定的安裝方式決定的。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應的汽封槽，汽封圈則需要從中分面逐段滑進汽封槽中。通過弧段上的圓柱彈簧將其頂在汽封槽接配面上，予以固定。如果汽封圈設計成上下半，或者弧段過長，則很難滑進隔板（汽封體）上的汽封槽中。一般來說，汽封圈各弧段弧長在400 mm左右即可。

DAS汽封圈的內環面有一定數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，有長有短，按照汽輪機熱膨脹的要求布置，在下面將會具體介紹。

在弧段的外環面，開有若干個放置圓柱彈簧的彈簧槽。彈簧槽的個數是經過嚴格計算選取的。

圖2為單個弧段汽封圈整體結構圖。

圖2 單個弧段汽封圈整體結構

圖3為壓板及螺釘結構圖。汽封圈上半靠近中分面處的兩個弧段，分別設計有與壓板和螺釘配合的結構，防止隔板或汽封體起吊時上半汽封圈從汽封槽中滑落。

圖3 壓板及螺釘結構圖

2.2 DAS汽封圈工作原理介紹

按照常理來說，如果想要完全阻止氣體通過某通道，那就必須完全封死。但是，在汽輪機工作時，轉子與靜子之間有一定間隙才能保證轉子順利轉動，無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，汽封圈右側為高壓側，左側為低壓側。汽封圈滑進隔板汽封槽中，左側為配合面，已貼死；汽封圈的汽封齒與轉子留有一定間隙（在后面介紹），則高壓側蒸汽只能通過其間隙流向低壓側。汽封圈的數圈汽封齒與轉子上面設計的城墻齒結構配合形成一個個的小腔室，蒸汽在此間隙間通過時會在各個腔室內產生渦流，渦流會消耗掉蒸汽的動能和內能，從而降低蒸汽流出后的速度，達到降低漏汽量的目的。

圖4 汽封圈工作原理圖

為達到上述目的，就必須要求機組在運行時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，汽封圈外側壓力大于內側（轉子側）壓力，無論在汽封圈的哪個弧段上，蒸汽力永遠指向轉子。

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，對于上半汽封圈來說，其力學平衡方程為式（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，達到設計目的。

下半汽封圈的力學平衡方程為式（2）：

可見，若要N支撐＞0，則：

這就是DAS汽封圈設計的理論依據，下面將介紹DAS汽封圈的設計方法。

3 DAS汽封圈的設計規范

DAS汽封圈設計主要包括汽封齒布置、汽封圈結構和汽封圈支撐的設計。

3.1 汽封齒布置設計

圖6為汽封齒布置圖。汽封齒布置設計主要根據汽輪機整體結構，考慮包括轉子徑向圓跳動，汽輪機整體軸向膨脹以及汽封圈在汽輪機所處的具體位置（工作溫度及壓力）而定的。其中各長短齒的個數及間距，都要與轉子上設計的城墻齒結構相配合，具體設計方法都有專門的文獻做講解，這里就不再詳細介紹。本文著重講解汽封圈結構設計以及支撐設計。

圖6 汽封齒布置圖

3.2 汽封圈結構設計

汽封圈結構設計包括汽封圈弧段劃分以及弧段間隙計算。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經驗，等分后的汽封弧段的弧長適中?；￠L過長，滑入汽封槽阻力較大，安裝不便；弧長過短，汽封圈劃分的弧段數過多，加工不便也比較繁瑣。根據經驗，首先得確保汽封弧段上下各半，也就是說弧段是必須為偶數。其次，劃分后的弧長一般為300～500 mm，可以根據具體情況微調，為了便于計算，通常在6、12、24這3種之間選擇。

弧段間隙計算的本質，是將汽封圈的周向膨脹用安裝間隙來抵消。從汽封圈與汽封體的材料選擇的角度來講，汽封體體積較大，結構簡單，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，公差要求嚴格，所以制造上采用機加工。那么在滿足材料強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）在相同參數下的線膨脹系數較汽封圈材料（如15CrMoA，10Cr9Mo1VNb等）低，所以汽封圈在工作時，比汽封體膨脹得快。為抵消兩者膨脹的差值，就需要在汽封圈設計時考慮安裝間隙。

安裝間隙的計算比較簡單，即運用汽封體（汽缸）與汽封圈材料在工況下彼此線膨脹系數的差值，求得相應的間隙值，見式（4）。

式中：G為設計安裝間隙，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；α2為汽封體（汽缸）材料線膨脹系數。

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

3.3 汽封圈的支撐設計及計算

汽封圈的支撐設計及計算是汽封圈設計中的重點也是難點。

目前所設計的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；當轉子高速旋轉時，如果轉子徑向圓跳動高于計算值，吃掉了汽封圈與轉子之間的間隙，那么轉子就會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打壞汽封圈，損壞汽封體，劃傷轉子，嚴重危及機組的安全。

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彈簧，各弧段是靠彈簧與汽封體間接相連的。當轉子撞擊汽封齒的時候，彈簧就起到了一個很好的緩沖作用，使得汽封圈與汽缸變成了柔性裝配。

由DAS汽封圈結構可知，其支撐設計實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）對弧段的反向（向上）支撐力。所以彈簧彈力對支撐基本沒有作用。而下半汽封圈的重量則全部壓在彈簧之上，如前文介紹。簡化計算后，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

簡化之后的計算公式及判斷方法如下：

式中：H為彈簧工作時的變形量，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，見下文；Z為汽封圈弧段數；n為每弧段彈簧個數；k為彈簧在工況下的鋼度系數。

確定變量的取值時，首先根據經驗粗定整個汽封圈的弧段數Z；再由幾何尺寸確定彈簧規格（直徑d）；最后調整每弧段彈簧數，來滿足不等式的要求，達到設計目的。

設計過程中，D值是可以自由調整，以滿足H的要求；A值大小通常情況下取3.15 mm，無特殊情況不做更改。合力系數K的選取，是由汽封圈弧段數以及每弧段彈簧數確定后，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數與每個彈簧彈力之積的結果。旨在簡化彈簧向上合力的計算過程。表1給出了6弧段汽封圈不同彈簧數對應的合力系數。

表1 6弧段汽封圈合力系數

由表1可知，6弧段汽封圈設計時，隨著每弧段彈簧數的增加，合力系數越來越接近0.645。根據多次計算得出，不同弧段數也存在著相同的規律，其數值在弧段彈簧數較多時，同樣接近0.645。所以，在工程計算中，小數點后三位的誤差如果忽略，那么在計算彈簧時的合力系數，均可取0.645，誤差在允許范圍之內。但是當弧段彈簧數較少時，建議根據受力分析結果選取合力系數K。

另外，在計算彈簧剛度系數的時候，特別注意是在工作溫度下的彈性模量，其剛度系數計算方法在此不再做介紹。