汽轮机高中压缸内外缸间夹层的可退让式密封结构设计方法

虞国平

(浙江浙能电力股份有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引言

当前，随着汽轮机容量及蒸汽参数的不断提高，汽缸内外壁承受的压力差增大使得相应缸壁、法兰、螺栓等部件增厚、加粗。当部件存在较大温度梯度时会产生较大的热应力，严重影响机组安全[1]。因此大型汽轮机的高、中压缸普遍采用双层缸结构，这样每层缸体承受的压力差相对变小，从而可以减薄内、外缸的壁厚，降低外缸的钢材用料等级，并在机组启停机时可加快汽缸的加热和冷却过程[2-3]。然而，这种设计导致结构部件数量增加，接口、密封面增多，漏汽风险变大[4]。为此很多学者展开各项针对性的研究[5-6]。文献[7]分析了造成汽轮机缸体中分面张口的原因，并提出从增加筋板和优化焊接方式等角度提升内缸强度。文献[8]基于镍基金属高温膨胀的特性，将其应用于汽缸中分面漏汽位置密封。文献[9]给出了一种汽轮机刷式汽封方法，用于转子与缸体连接部的密封。文献[10]描述了高中压缸内外缸与进出汽管件间的密封方法。文献[11]对低压缸抽汽膨胀节进行失效分析，为后期备件优化改型提供参考。除此类传统密封面外，对于高中压缸合缸的大型汽轮机，内外缸之间还存在夹层空间。机组运行时，压力较高的高压缸排汽会经夹层流向压力较低的中压缸排汽区，夹层蒸汽的窜流会对缸体造成一定的危害。如窜流会强化内缸外壁的冷却效果，使得内缸内外壁温差增加，造成内缸热应力的增加而产生内张口，使内缸蒸汽发生泄漏，甚至影响汽缸寿命；温度较低的夹层蒸汽与中压缸三级抽汽混合，会使实际抽汽温度下降；夹层蒸汽与中压缸排汽混合，使中压缸缸效虚高，降低机组经济性[12]。本文提出了一种高中压缸内外缸夹层密封结构。通过在夹层间设置弹性密封组件来适应内缸和外缸因温度变化产生的形变，利用弹性推拉机构确保密封件外缘与外缸内壁面始终保持接触，减小了膨胀间隙，确保各独立腔室间始终保持相对密封。

1 常规密封结构及其应用局限性

为避免夹层蒸汽流动，传统方法选择在夹层增设隔热板。即在高压和中压内缸外壁上各设一圈隔热板(圆环形)，隔热板与高中压外缸内壁对应位置的环形表面之间保留了适当的膨胀空隙。在夹层中部，外缸内壁上的定位环插置定位在内缸外壁的定位槽，将夹层分隔成前后两个区域。通过上述结构可有效减少夹层中高压缸排汽流窜到中压缸排汽区域，防止内缸的外壁被过分冷却，维持内缸内外壁温差在合理的范围内。

但是，实际运行中往往因上下缸温差不同以及轴向推力的变化影响，这样的夹层密封设计达不到密封的效果。在冷态时接触紧密的精加工面并不能保持整圈完全接触，热态运行时存在较大的漏汽现象。文献[13]指出纵使在夹层设置隔热板，但预留的间隙过大也会造成汽缸变形。文献[14]利用有限元方法分析了启动过程高中压缸内外壁温差过大是由于高压缸排汽有少量直接通过夹层进入到中压缸，从而对内缸外壁直接冷却，并指出解决高排蒸汽的漏汽问题能降低机组热应力水平，提高机组效率。

针对传统高中压缸夹层密封结构密封效果较弱的问题，有学者在此基础上做了改进。在定位槽与定位环之间的空间靠近高压侧安装多道可退让式汽封齿并增加软密封盘根、以及在两道隔热板上各增加一圈可退让式或镶嵌式汽封齿，通过增加流动阻力和减少流动空间来减少夹层蒸汽流量。这样的改进在短时间内比较有效，但随着运行时间的增加，盘根会因破碎或移位、热膨胀等原因，逐渐丧失阻流特性，夹层窜汽现象并无明显改善。

针对能够适应夹层腔体形变的密封方法的研究除了考虑新材料外，通过结构简单的机械组件实现密封需求也不失为一种选择方式。

2 新型密封装置的布置及结构

2.1 新型密封装置的布置

对于带内外缸夹层的高中压合缸机组，新型夹层弹性密封结构位于汽轮机高中压缸环状夹层中，通过安装多个环形密封组件将夹层分割成若干独立环状腔室，如图1所示。可以看出，该型缸体结构布置了三组密封组件。除了在高压缸和中压缸内各安装一组密封组件外，考虑到内缸中压段和高压段内温度和压力均不相同，使得中压夹层段、高压夹层段需要具有独立调节温度和压力的功能，所以还选择在高压缸与中压缸连接部分增加一组密封组件，从而确保中压夹层段、高压夹层段相对密封独立。整个环形夹层被三组密封组件分割形成四段独立腔室，四段环状腔室包括中压排汽段、中压夹层段、高压夹层段以及高压排汽段。

图1 新型密封结构安装位置示意图

2.2 新型密封装置的结构

本文提出的新型密封组件由多个部件组成，每个组件都具有特定的功能，所有组件装配在一起最终实现夹层各腔体互为密封。

(1)密封件

密封件是一种扇面结构，其结构如图2所示。通过多个密封件前后搭接形成一个完整的环形组件，将夹层腔分割成两个独立腔室。为提高密封件间搭接处的气密性及结构稳定性，对每个密封件的两个端面(第一端和第二端)进行特殊处理。如图3所示，密封件第一端的端面向外延伸形成竖置挡板和横置挡板。竖置挡板为延伸结构的竖向部分，横置挡板为延伸结构的横向部分，整个第一端截面呈L形，第二端截面呈方形。通过其第一端的内凹面可滑动地包裹相邻密封件第二端，使得第二端端部能搭接在第一端L形内凹面上。

图2 密封件结构示意图

图3 相邻密封件搭接示意图

(2)引导环槽

为了将密封件固定在内缸的外壁面上，需要在隔热环或定位环上开设一圈引导环槽，如图4所示。其中，槽口一侧设有限位凸条，结合密封件侧部的卡位凸条，可以防止密封件轴向移动，起到引导密封件沿内缸径向移动的作用。同时，限位凸条与引导环槽底面间形成供卡位凸条径向移动的空间，并通过卡位凸条来防止密封件脱离引导环槽。

(3)弹性推压机构

当内外缸受温度影响产生变形时，夹层腔室发生形变。同时，密封件也产生形变，但这种形变很小，不足以弥补夹层腔室变形，导致密封件与外缸内壁之间形成漏汽间隙，削弱了密封效果。为确保密封件始终与外缸内壁接触，需要额外提供给密封件一个径向推力，方向由内向外。因此选择利用弹簧装置，如图5所示，在引导环槽底面，沿径向开设容置弹簧的容置腔，并将弹簧一端固定在容置腔底面上，另一端与密封件接触。容置腔与其内的弹簧构成一个弹性推压机构。

图5 相邻密封件端面分离时的剖视结构示意图

(4)隔热环

引导环槽是附着在高压或中压缸内缸外壁上的环形槽道结构，如图4所示。该结构起到了固定密封件的作用。对于早期已完成设计投产的机组，其初始设计中并没有预留该结构，如果直接在内缸外壁面开槽会改变内缸结构，削弱其承压能力进而影响机组安全运行。因此，可以在内缸外壁面安装隔热环，引导环槽直接布置在隔热环上，这样既能保证内缸的完整性，又能保持各夹层腔室的气密性。如图1所示，中压排汽段与中压夹层段间、高压夹层段与高压排汽段间的内缸外壁区段上设有环状隔热环。隔热环上还设有平衡孔，用于平衡中压排汽段与中压夹层段间、高压夹层段与高压排汽段间的汽压。隔热环外缘面靠近外缸内壁设置，具有阻隔热量传递的作用。密封组件设置在隔热环上，由于隔热环与外缸间距较小，使得需要密封环封堵的面积也较小，有效提高密封性能。

(5)定位槽

与高、中压缸夹层腔体上布置的隔热环不同的是，中压夹层段与高压夹层段间的外缸内壁区段上为环状定位环，内缸外壁上设有供所述定位环插接卡置的定位槽。定位槽与定位环接触面通过精加工紧密贴合，将夹层分隔成前后两个区域。将引导环槽设置在定位槽底面处，如图6所示。通过上述结构可有效减少夹层高压缸排汽流窜到中压缸排汽区域，防止内缸的外壁被过分冷却，维持内缸内外壁温差在合理的范围内。

图6 定位环处密封组件剖视结构示意图

3 可退让式密封装置的工作原理

3.1 工作原理

首先，将扇形密封件搭接形成环状密封。当密封件上的第一端完整插接在相邻密封件的第二端上时，第一端端面匹配抵触在第二端端面上，横置挡板和竖置挡板分别完整地贴合在第二端部侧壁上，多个密封件首尾衔接形成一个完整的密封环。此时，密封环内缘直径最小，弹簧压缩形变最大。密封环外缘抵在外缸内壁上，密封环内缘位于引导环槽内。

当夹层截面轮廓宽度随内缸和外缸形变而变大时，密封件在弹簧弹性恢复力作用下沿引导环槽竖向(径向)升起，确保密封件外缘始终密封贴合外缸内壁。此过程中，由于各密封件均沿内缸径向向外移动，使得相邻密封件间的第一端端面和第二端端面间脱离，导致横置挡板和竖置挡板与对应的第二端部侧壁间发生偏移，但第二端部侧壁仍旧有部分侧壁密封贴合在横置挡板或竖置挡板上，如图7所示。两个挡板起到封堵第一端端面与第二端端面间隙的作用，确保相邻独立腔室间气流不会发生窜流。对安装在隔热环上的密封件，由于隔热环自身具有一定高度，隔热环与外缸间距较小，密封件径向位移量也较小。限位凸条和卡位凸条限制了密封件的轴向位移的同时也决定了径向位移量。隔热环使得仅需要设置很少的径向位移量就能满足密封需求。

图7 相邻密封件端面分离时的剖视结构示意图

3.2 设计要点

(1) 密封件

密封件主要承受两侧的蒸汽压力，特别是位于定位环内的密封件，两侧蒸汽压差较大。若材料选择不当，大压差会致使密封件变形，影响密封效果。因此对密封件制造材料的选择，材料抗剪强度必须满足极限压差工况要求。

值得指出的是，密封组件数量可以根据需要进行调整，理论上密封组件数量越多，搭接面也越多，夹层密封性会变差，改造成本也会增加。因此，在确定密封组件数量过程中，需要综合考虑改造成本与密封需求，但组成每个环形密封面的密封件数量不应少于2个。

此外，对于密封件端面处的竖置挡板和横置挡板，其外延长度必须大于密封件外扩移动时第一端端面与第二端端面的间隙尺寸要求，使得密封件在进行适应性形变时始终保持密封功能。而位于定位槽内的限位凸条和卡位凸条的空间高度应大于夹层截面形变量，以此确保密封件移动量能满足夹层形变量。

(2)引导环槽

引导环槽的槽口由于设置了限位凸条而形成口小腔大状，密封件厚度与引导环槽槽口宽度一致，确保密封件可升降地插接在引导环槽内，密封件内缘通过卡位凸条卡置限位在引导环槽的槽腔内。

(3)弹性推压机构

弹性推压机构的弹力足以克服密封件接触端面处和密封件与引导环槽的摩擦力、密封件重力的分量。每个密封件对应弹性推压机构数量的选择需要综合考虑组成环状密封面(由多个密封件首尾搭接形成)的密封件数量，且每个密封件对应的弹性推压机构数量不应少于2个。容置腔用于安装弹簧，起到限制弹簧形变的作用，确保弹簧的弹性恢复力能沿预设施力方向(径向)施加作用力。

(4)定位槽

在高中压缸夹层中部，外缸内壁上的定位环插置在内缸外壁的定位槽内，以此作为内缸轴向膨胀的相对死点。位于定位槽内的密封组件既利用定位槽底面与定位环内缘面间间距较小的优势，有效减小密封环封堵的面积，还能利用定位槽与定位环间弯折贴合面，提高密封性能。

3.3 装配制造

密封组件加工过程中，密封环外缘与对应抵触的外缸内壁、限位凸条外露侧壁与对应抵触的密封环侧壁均为可密封贴合的精加工面。精加工面具有较好的贴合度，使得相互贴合的精加工面在相互贴合滑动时仍旧具有较好的密封性，确保密封环根据夹层空间变化时始终保持预设密封性能。通过在上述位置设置精加工面，来确保密封环分别与外缸、内缸贴合密封，进而保证各独立腔室间密封。在密封件沿引导环槽升降活动时，限位凸条外露侧壁能沿密封环侧壁贴合滑动，在相邻密封环错位分离时，密封环外缘始终沿外缸内壁贴合滑动。竖置挡板上缘与密封件外缘平滑过渡，确保相邻密封件错位分离时，竖置挡板上缘始终能紧密贴合在外缸内壁上。

装配时保持弹簧处于压缩状态。当内缸或外缸因温度变化产生形变时，各密封件在对应弹簧的驱动下确保密封件外缘面始终与外缸内壁贴合。

4 结论及展望

本文针对传统高中压缸内外缸夹层间的密封效果差、容易造成夹层蒸汽窜流的问题进行研究，提出了一种新型夹层弹性密封装置设计方法：

(1)将多个扇形密封件通过搭接的方式连接成环形密封结构，并用于分割、密封夹层腔体；

(2)安装在导引环槽内的弹性推拉机构牵引密封件与外缸内壁贴合，密封件端部外延形成挡板重叠，保障了端部的气密性。

该组件可以有效防止夹层漏汽情况发生，延长汽缸使用寿命。该密封部件设计方法适用性强，对多数汽轮发电机组的高中压缸夹层密封改造都具有一定的借鉴意义。