孟召軍，張 淏，孟書(shū)宇，王克宇，劉 達(dá)

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.能源與動(dòng)力學(xué)院；b.自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

在汽輪機(jī)中，軸端蒸汽的泄漏主要存在于高、中壓缸的分缸結(jié)構(gòu)或高、中壓缸的合缸結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠漭S封位置的蒸汽壓力大于外界大氣壓力，蒸汽不可避免地要從此處外漏，而蒸汽的泄漏必然導(dǎo)致機(jī)組效率降低；對(duì)于汽輪機(jī)的低壓缸，由于其內(nèi)部蒸汽壓力小于外界大氣壓力，則必然導(dǎo)致空氣漏入排汽裝置［1］。為了提高機(jī)組效率，必須減少機(jī)組各處的漏氣量，同時(shí)又要保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，特設(shè)置了各種汽封。但由于傳統(tǒng)汽封存在易磨損、漏氣量大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重降低了機(jī)組的熱效率和安全性［2］，所以研發(fā)新型汽封、改進(jìn)并提高汽封的工作性能便成為了一項(xiàng)重要課題。對(duì)此，文獻(xiàn)［3］提出了一種減少汽輪機(jī)漏氣損失的新型軸端無(wú)間隙汽封，提高了汽輪機(jī)真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性，減輕了抽氣器的負(fù)擔(dān)，使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性得以提高。針對(duì)該新型軸端汽封，文獻(xiàn)［4-6］利用有限元軟件對(duì)該汽封在高壓缸中應(yīng)用的可行性、軸端端面碰摩及對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行狀況下的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了新型汽封的可行性及可靠性。

在新型汽封中，波紋管主要起預(yù)緊及緩沖的作用。波紋管在工作時(shí)，波峰波谷都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)波紋管的屈服極限時(shí)，波紋管很容易被破壞，使波紋管失效，引起密封泄露［7］。為進(jìn)一步完善該汽封，有必要通過(guò)有限元軟件模擬該汽封在高、中壓缸軸端的實(shí)際工作環(huán)境，并在軸封系統(tǒng)不投入工作時(shí)分析新型軸端無(wú)間隙汽封組件中不同厚度的波紋管在極限情況下對(duì)新型汽封密封性能的影響，以推廣這種汽封的應(yīng)用。

1 有限元模型的建立及網(wǎng)絡(luò)劃分

新型軸端無(wú)間隙汽封由轉(zhuǎn)軸、金屬圓盤、石墨環(huán)、波紋管、彈簧、殼體和底座等組件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型軸端汽封結(jié)構(gòu)

波紋管和彈簧的一端固定在殼體上，波紋管設(shè)計(jì)成波浪形，可做軸向伸縮；另一端的石墨環(huán)直接嵌入在波紋管的底座內(nèi)；金屬圓盤焊接在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)金屬圓盤一起旋轉(zhuǎn)，靠彈簧的軸向推力將石墨環(huán)推向金屬圓盤，實(shí)現(xiàn)石墨環(huán)和金屬圓盤的緊密接觸，形成無(wú)間隙汽封［8］。這樣就防止了汽缸內(nèi)蒸汽的外漏及空氣的漏入。

結(jié)合文獻(xiàn)［3］及某電廠600 MW 超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸尺寸，建立新型軸端無(wú)間隙汽封的幾何模型，如圖2 所示。模擬新型軸端汽封在高、中壓缸工作環(huán)境，設(shè)置不同厚度的波紋管，彈簧數(shù)量為4個(gè)。對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，結(jié)果如圖3所示，計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為187 989，單元總數(shù)為59 217。

圖2 新型軸端汽封幾何模型

圖3 有限元模型網(wǎng)絡(luò)劃分

由于高、中壓缸末端的初始環(huán)境溫度很高，故選取耐高溫的石墨密封環(huán)材料，型號(hào)為M238H（浸漬類碳石墨），波紋管的材料是316 不銹鋼［9］，彈簧選擇具有良好耐熱性的GH4145 合金彈簧［10］，石墨密封環(huán)、波紋管和彈簧的材料物性參數(shù)如表1 所示。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的材質(zhì)為30Cr2Ni4MoV［11］，其物性參數(shù)隨溫度的改變而改變，金屬密封環(huán)采用與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相同的材質(zhì)，其物性參數(shù)列于表2 中。底座與殼體選用與彈簧相同的金屬材質(zhì)。

表1 石墨環(huán)、波紋管及彈簧的材料物性參數(shù)

表2 金屬圓盤及轉(zhuǎn)子大軸的材料物性參數(shù)

2 邊界條件

對(duì)應(yīng)用在高、中壓缸軸端的兩種不同工作環(huán)境下的新型軸端無(wú)間隙汽封進(jìn)行模擬，將密封石墨環(huán)與金屬圓盤的接觸面定義為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1。在模擬時(shí)，邊界條件中參考文獻(xiàn)［7］，對(duì)殼體左端面施加0.154 8 MPa的壓強(qiáng)并對(duì)殼體施加位移約束，x方向和y方向設(shè)置為0 mm，z方向（軸向）設(shè)置成free。汽輪機(jī)大軸的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min，標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓設(shè)置為0.1 MPa，第一次模擬的初始溫度（汽輪機(jī)高壓缸末級(jí)蒸汽的溫度）設(shè)置為312 ℃，高壓缸排氣壓力設(shè)置為3.524 9 MPa，第二次模擬的初始溫度（汽輪機(jī)中壓缸末級(jí)蒸汽的溫度）設(shè)置為333 ℃，中壓缸排氣壓力設(shè)置為0.794 9 MPa［12］。

3 仿真結(jié)果分析

在施加邊界條件后，經(jīng)過(guò)有限元軟件計(jì)算，新型軸端無(wú)間隙汽封組件中的波紋管應(yīng)用在高、中壓缸軸端的溫度分布如圖4所示。

圖4 不同厚度波紋管的溫度分布

由圖4 可知：新型軸端汽封在高壓缸運(yùn)行狀況下，其組件中的波紋管所產(chǎn)生的最高溫度為273.18 ℃，由于波紋管的導(dǎo)熱系數(shù)大，傳遞到波紋管的熱量逐漸散入到周圍的環(huán)境中，波紋管的溫度逐漸降低，最高溫度沒(méi)有超過(guò)引起波紋管材料發(fā)生蠕變的溫度；在中壓缸軸端運(yùn)行時(shí)，波紋管的最高溫度為294.23 ℃，隨著波紋管厚度不斷增加，溫度基本沒(méi)有發(fā)生改變，最高溫度小于引起波紋管材料發(fā)生蠕變的溫度。

新型軸端無(wú)間隙汽封組件的波紋管在高、中壓缸軸端運(yùn)行產(chǎn)生的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 不同厚度波紋管的應(yīng)力分布

由圖5可知：0.5 mm厚度的波紋管在高壓缸末端工作時(shí)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力數(shù)值為1 711.8 MPa，這是由于在高壓缸軸端的蒸汽壓力過(guò)高，波紋管無(wú)法承受末端的蒸汽壓力，導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大，其最大應(yīng)力值遠(yuǎn)大于波紋管材料的屈服極限（310 MPa），進(jìn)而導(dǎo)致波紋管發(fā)生屈服，引起密封失效，隨著波紋管厚度增加，應(yīng)力逐漸減小，在波紋管厚度達(dá)到3 mm 時(shí)，產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為262.25 MPa，沒(méi)有超過(guò)波紋管材料的屈服極限；0.5 mm 厚度的波紋管在中壓缸末端工作時(shí)所產(chǎn)生最大應(yīng)力數(shù)值為437.82 MPa，會(huì)使波紋管發(fā)生屈服，當(dāng)厚度達(dá)到1 mm 時(shí)，其應(yīng)力為181.33 MPa，在屈服極限以下。因此，在高、中壓缸軸端工作環(huán)境下，波紋管的厚度需分別大于3 mm和1 mm，才能使波紋管不會(huì)發(fā)生屈服。

波紋管在高、中壓缸軸端工作時(shí)的變形情況如圖6所示。

圖6 不同厚度波紋管的變形分布

由圖6可知：厚度為0.5 mm的波紋管在高壓缸軸端工作時(shí)的徑向變形量最大，最大值為1.560 2 mm，隨著波紋管厚度的不斷增加，波紋管變形量越來(lái)越小，當(dāng)波紋管厚度為3 mm時(shí)，變形量?jī)H有0.275 9 mm，而彈簧的最大徑向變形量約0.957 72 mm，波紋管與彈簧之間的最大變形量約為2.517 9 mm，波紋管與彈簧之間的設(shè)計(jì)間隙為2.4 cm，彈簧與軸之間的設(shè)計(jì)間隙為2.7 cm，不會(huì)超過(guò)波紋管、彈簧及轉(zhuǎn)軸之間的設(shè)計(jì)間隙；0.5 mm 厚度的波紋管在中壓缸軸端工作時(shí)產(chǎn)生的最大徑向變形量為0.444 3 mm，當(dāng)波紋管壁厚超過(guò)1 mm 之后，其變形量基本一致，數(shù)值為0.135 1 mm，彈簧的最大徑向變形量為0.504 4 mm，波紋管與彈簧之間的最大變形量為0.639 5 mm，同樣沒(méi)有超過(guò)波紋管、彈簧及轉(zhuǎn)軸之間的設(shè)計(jì)預(yù)留間隙。因此，波紋管與彈簧、彈簧與轉(zhuǎn)軸之間不會(huì)發(fā)生碰摩，說(shuō)明波紋管、彈簧及轉(zhuǎn)軸之間的設(shè)計(jì)間隙是合理的。

4 結(jié)論

針對(duì)文獻(xiàn)［3］提出的新型軸端無(wú)間隙汽封，利用有限元軟件對(duì)應(yīng)用在某600 MW 機(jī)組高、中壓缸軸端并在軸封系統(tǒng)不投入工作時(shí)的新型軸端無(wú)間隙汽封部分組件進(jìn)行仿真分析，可以得出如下結(jié)論：

1）應(yīng)用在高、中壓缸軸端并在軸封系統(tǒng)不投入工作時(shí)的新型汽封組件中的波紋管產(chǎn)生的溫度場(chǎng)不超過(guò)其材料的強(qiáng)度極限，說(shuō)明了波紋管的選材合理。

2）隨著汽封組件中波紋管厚度的不斷增加，應(yīng)力水平逐漸降低。在高壓缸工作的波紋管的厚度達(dá)到3 mm 時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)波紋管材料的屈服極限；在中壓缸工作的波紋管的厚度設(shè)為1.5 mm 時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限。因此，在高、中壓缸軸端工作的波紋管的厚度應(yīng)分別大于3 mm和1 mm，才能使波紋管不會(huì)發(fā)生屈服。

3）汽封組件中不同厚度的波紋管和彈簧在高、中壓缸軸端工作時(shí)產(chǎn)生的最大徑向變形量分別為2.517 9 mm 和0.639 5 mm，遠(yuǎn)小于汽封組件與轉(zhuǎn)軸之間預(yù)留的徑向間隙，不會(huì)與轉(zhuǎn)軸及組件之間發(fā)生碰撞，驗(yàn)證了該汽封的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是安全合理的。