超超臨界汽輪機紅套環高壓內缸密封性研究

董 慧 文 謀 高 風

（東方汽輪機有限公司，德陽 618000）

隨著大功率汽輪機參數的不斷提高，汽缸尺寸不斷增加，造成機組在啟動、停機和變工況時汽缸法蘭內外壁溫差過大而產生很大的熱應力，直接影響機組的安全穩定運行[1]。當前，超超臨界汽輪機多數采用紅套環筒型內缸切向進氣。這種結構壁薄、緊湊、受力均勻以及熱應力小，能避免缸體在運行中出現扭曲問題。

因高壓內缸長期處于高溫、高壓蒸汽環境，導致高壓內缸產生高溫蠕變應力、蠕變應變，需要降低高壓內缸的蠕變斷裂韌性[2]。近年來，國內外諸多學者對汽輪機高壓內缸進行了密封性、強度分析等研究。例如，文獻[3-5]對紅套環高壓內缸蠕變強度及密封性進行了理論分析。但是，隨著機組運行持續時間逐漸變長，高壓內缸密封效果逐漸下降，需要通過有效的分析手段進行優化設計。

與傳統的密封優化處理方式相比，有限元分析覆蓋的范圍大，針對性更強，能夠更好地解決紅套環高壓內缸日常應用工程中存在的細節問題，避免出現關聯性損壞。此外，由于1 000 MW機組不同直徑的過盈紅套環對高壓內缸的作用程度不同，采用有限元進行特征分析，可以最大限度避免密封優化的誤差，打破傳統密封模式的局限，更好地解決內缸內漏問題。本文基于有限元分析方法，對某超超臨界1 000 MW機組紅套環高壓內缸密封性進行優化設計與分析。

1 紅套環高壓內缸設計

某超超臨界1 000 MW機組采用28 MPa/605 ℃/623 ℃參數，一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、間接空冷凝汽式機組。高壓部分設有2個進汽口，即汽缸上半及下半各設1個。進汽采用上、下半切向密封進汽，進汽腔室型線采用變截面，可有效降低進汽壓損，提高進氣效率。高壓內缸采用去除中分面法蘭的筒形缸結構，由2個半圓形缸通過6個紅套環過盈緊固，并在2個高壓進汽口下方設有兩個小法蘭，法蘭上布置有8根緊固螺栓。紅套環外徑外面設有隔熱罩，以減緩機組在起機、停機以及負荷變動過程中紅套環溫度場和應力場的變化造成的紅套環變形。描述機組的理論模型，如圖1所示。

1.1 材料選擇

高壓內缸的材質為CrMoNiWVNbN，紅套環的編號從進汽側到排汽側呈升序排列（詳見圖2）。根據離進汽區距離遠近，計算各個紅套環所處級次溫度。將序號1～序號3的紅套環劃分為高溫段紅套環，材質設置為耐熱鋼CrCoWNiMo；序號4～序號6的紅套環劃分為低溫段紅套環，材質設置為耐熱鋼CrMoNi。表1為高壓內缸和紅套環在機組運行參數條件下的相應線脹系數統計結果。

1.2 過盈量設定

紅套環高壓內缸工作參數及材料確定后，需要針對內缸的應用狀態確定實時過盈量。過盈實際上是一種定向的連接方式，被廣泛應用于生產設備與裝置的連接和密封處。如何確定過盈量非常關鍵。過盈量太小不能保證汽輪機在長期運行過程中汽缸上、下半中分面的氣密性依然良好且不內漏，而過盈量太大又會導致汽缸和紅套環的應力過大，且難以滿足兩者的強度要求[1]，會增加裝配難度。

紅套環與高壓內缸名義過盈量的設計判據為：

式中：DZ為紅套環所在位置處汽缸外徑直徑取值；DR為紅套環的內徑直徑取值；Rb1為紅套環所在位置處汽缸外徑半徑取值；Rb2為紅套環的內徑半徑取值。

經過對比表1的參數發現，紅套環材料的線脹系數和高壓內缸材料的線脹系數相近。文獻[6]指出，如果紅套環的線膨脹系數與高壓內缸的線膨脹系數相近，名義過盈量取值約為高壓內缸外半徑的0.001倍。本文結合文獻[6]及類似機組的取值，有限元分析時將序號1～序號3級紅套環處過盈量設定為0.001 3，序號4～序號6級紅套環處過盈量設定為0.001 2。

2 有限元分析

內缸氣密性分析主要從兩方面考慮：一是機組在冷態、啟動和穩定運行時，內缸中分面必須具有良好的接觸；二是機組在運行一個大修期后依然保持較好的氣密性。

通過圖1建立的理論模型導入有限元分析軟件，按照設計判據給定初始過盈，在模型中建立接觸關系，施加強度工況下對壓強載荷進行有限元分析。經過多次試算和優化，得出如下的分析結果。

一方面，在冷態、啟動和穩定運行時，內缸中分面接觸壓應力見圖3。由圖3可知，在3種過程中，中分面均存在大于2倍內外壁壓差連續密封帶，汽缸的氣密性滿足設計要求。

另一方面，長期在高溫下工作，高壓內缸切向進汽區域紅套環、螺栓的高溫蠕變尤為明顯。通過蠕變分析可知，隨著機組運行時間的逐漸變長，內缸中分面的接觸情況有變化。從圖4可以看出，蠕變8年后，進汽腔室區域的接觸壓應力有所下降，但內缸中分面4級到10級處和高排段10級到14級處的接觸壓應力基本保持不變，說明整個中分面依然保持一定的接觸壓應力，上、下缸之間的接觸壓應力滿足運行8年的要求，滿足運行一個大修期后依然保持較好的氣密性要求。

3 結語

針對某超超臨界汽輪機1 000 MW機組紅套環高壓內缸的設計，通過合理的材料選取和過盈量設定，經過有限元分析驗證了汽輪機高壓內缸在機組啟動、停機和穩定運行直至連續工作一個大修期內，高壓內缸整個中分面依然保持一定的接觸壓應力，且汽缸的氣密性良好。