常规火电DAS汽封圈设计

钱禹龙徐晓康王娟丽

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

1 概述

对于火电汽轮机机组来说，汽封圈是一个非常重要的部件，也是汽轮机必不可少的组成部分。它遍及汽轮机各大部套之中，引导蒸汽按照设计的方向流动，阻挡了蒸汽的外泄以及窜动。就一台常规火力百万蒸汽轮机来说，各种汽封圈加起来有一百多圈，保证汽轮机正常运行，将过热蒸汽内能转化为电能。

1.1 汽封圈的定义

在整台汽轮机中，所有部套都可按照工作时是否旋转分为“转子件”和“静子件”两大类。例如，汽缸，隔板，导叶，汽封体，轴承箱等部套，在汽轮机工作时，除开自身热膨胀外，理想状况始终保持静止，统称为静子；像转子，动叶这样的部套，在汽轮机运行时，由于蒸汽通流，将自身的能量释放，推动其转动，统称为转子[1]。

在工作时，转子高速旋转，静子固定，因此静子和转子之间必须保持一定间隙，不使其相互摩擦。蒸汽流过汽轮机各级工作时，压力、温度逐级下降，在隔板两侧存在着压差。当动叶片有反动度时，动叶片前后也存在着压差，蒸汽除了绝大部分从导叶、动叶形成的通道流过做功外，一小部分会从各种间隙中流过而不做功，成为一种损失，降低了机组效率。此外，当前汽轮机的转子都需要穿出汽缸，支撑在轴承上，此处必然也要留有间隙。对于高压缸两端及中压缸前端，汽缸内的蒸汽压力大于外界大气压力，此处将有蒸汽泄漏出来，降低了机组效率。并造成部分凝结水损失。在中压缸的排汽端和低压缸两端，因汽缸内的蒸汽压力低于外界大气压力，在主轴穿出汽缸的间隙中，将会有空气漏入汽缸中，由于空气在凝汽器中不能凝结，致使凝汽器真空度降低，增大了背压，导致蒸汽做功能力下降，降低了效率。

为了减小上述各处间隙中的漏气，又要保证汽轮机安全运行，特设了一种特殊的环状结构，这就是汽封圈。

1.2 汽封圈分类

汽封圈按照在汽轮机机组中的位置和所起的作用通常分为通流部分汽封、隔板汽封和轴端汽封三大类[2～4]。

此外，又可按汽封结构和形式分为曲径汽封（迷宫汽封）、碳精汽封和水封三种，由于后两种在现代汽轮机中很少应用，所以常规火电汽封圈通常采用曲径汽封结构。

曲径汽封按照其齿形不同可分为平齿汽封、高低齿汽封和纵树形汽封。本文所讲到的DAS汽封圈，其汽封方式就是属于迷宫式汽封中的高低齿汽封结构。

2 DAS汽封圈结构与原理

2.1 DAS汽封圈的结构

图1为常规火电DAS汽封圈结构图，由各汽封弧段，DAS汽封齿，圆柱弹簧以及安装用的组件（压板和螺钉）构成。

图1 DAS汽封圈结构图

汽封圈不像隔板一样设计成上下两半，是其特定的安装方式决定的。汽封圈装配是采用滑配方式，与隔板或者汽封体装配，在隔板或者汽封体上开有与汽封圈截面尺寸对应的汽封槽，汽封圈则需要从中分面逐段滑进汽封槽中。通过弧段上的圆柱弹簧将其顶在汽封槽接配面上，予以固定。如果汽封圈设计成上下半，或者弧段过长，则很难滑进隔板（汽封体）上的汽封槽中。一般来说，汽封圈各弧段弧长在400 mm左右即可。

DAS汽封圈的内环面有一定数量的汽封片与其装配在一起，固定方式为敛缝。汽封片是汽封圈真正的工作部分，有长有短，按照汽轮机热膨胀的要求布置，在下面将会具体介绍。

在弧段的外环面，开有若干个放置圆柱弹簧的弹簧槽。弹簧槽的个数是经过严格计算选取的。

图2为单个弧段汽封圈整体结构图。

图2 单个弧段汽封圈整体结构

图3为压板及螺钉结构图。汽封圈上半靠近中分面处的两个弧段，分别设计有与压板和螺钉配合的结构，防止隔板或汽封体起吊时上半汽封圈从汽封槽中滑落。

图3 压板及螺钉结构图

2.2 DAS汽封圈工作原理介绍

按照常理来说，如果想要完全阻止气体通过某通道，那就必须完全封死。但是，在汽轮机工作时，转子与静子之间有一定间隙才能保证转子顺利转动，无法做到完全封死通道。那么，汽封圈起到的作用就是尽可能减少漏气。

图4为汽封圈工作原理图。以隔板汽封圈为例，汽封圈右侧为高压侧，左侧为低压侧。汽封圈滑进隔板汽封槽中，左侧为配合面，已贴死；汽封圈的汽封齿与转子留有一定间隙（在后面介绍），则高压侧蒸汽只能通过其间隙流向低压侧。汽封圈的数圈汽封齿与转子上面设计的城墙齿结构配合形成一个个的小腔室，蒸汽在此间隙间通过时会在各个腔室内产生涡流，涡流会消耗掉蒸汽的动能和内能，从而降低蒸汽流出后的速度，达到降低漏汽量的目的。

图4 汽封圈工作原理图

为达到上述目的，就必须要求机组在运行时汽封圈与隔板槽的各贴合面完全贴死。由图4的压力曲线可看出，汽封圈外侧压力大于内侧（转子侧）压力，无论在汽封圈的哪个弧段上，蒸汽力永远指向转子。

图5为汽封圈的受力分析。

图5 汽封圈受力分析图

由受力分析可知，对于上半汽封圈来说，其力学平衡方程为式（1）：

要汽封圈与隔板配合面贴死，则要N支撑＞0。由式（1）可知，隔板支撑反力始终大于0，达到设计目的。

下半汽封圈的力学平衡方程为式（2）：

可见，若要N支撑＞0，则：

这就是DAS汽封圈设计的理论依据，下面将介绍DAS汽封圈的设计方法。

3 DAS汽封圈的设计规范

DAS汽封圈设计主要包括汽封齿布置、汽封圈结构和汽封圈支撑的设计。

3.1 汽封齿布置设计

图6为汽封齿布置图。汽封齿布置设计主要根据汽轮机整体结构，考虑包括转子径向圆跳动，汽轮机整体轴向膨胀以及汽封圈在汽轮机所处的具体位置（工作温度及压力）而定的。其中各长短齿的个数及间距，都要与转子上设计的城墙齿结构相配合，具体设计方法都有专门的文献做讲解，这里就不再详细介绍。本文着重讲解汽封圈结构设计以及支撑设计。

图6 汽封齿布置图

3.2 汽封圈结构设计

汽封圈结构设计包括汽封圈弧段划分以及弧段间隙计算。图7为汽封圈弧段划分图。

图7 汽封圈弧段划分图

汽封圈弧段划分主要根据经验，等分后的汽封弧段的弧长适中。弧长过长，滑入汽封槽阻力较大，安装不便；弧长过短，汽封圈划分的弧段数过多，加工不便也比较繁琐。根据经验，首先得确保汽封弧段上下各半，也就是说弧段是必须为偶数。其次，划分后的弧长一般为300～500 mm，可以根据具体情况微调，为了便于计算，通常在6、12、24这3种之间选择。

弧段间隙计算的本质，是将汽封圈的周向膨胀用安装间隙来抵消。从汽封圈与汽封体的材料选择的角度来讲，汽封体体积较大，结构简单，公差要求不高，制造工艺通常选择铸造；而汽封圈则属于小零件，要求加工精细，公差要求严格，所以制造上采用机加工。那么在满足材料强度及屈服要求的前提下，二者选择的是不同类型的材料。汽封体铸件使用的材料（如ZG230-450，Q345-B，Q235-B等）在相同参数下的线膨胀系数较汽封圈材料（如15CrMoA，10Cr9Mo1VNb等）低，所以汽封圈在工作时，比汽封体膨胀得快。为抵消两者膨胀的差值，就需要在汽封圈设计时考虑安装间隙。

安装间隙的计算比较简单，即运用汽封体（汽缸）与汽封圈材料在工况下彼此线膨胀系数的差值，求得相应的间隙值，见式（4）。

式中：G为设计安装间隙，mm；d为汽封圈最大直径，mm；T为工况下温度，℃；α1为汽封圈材料线胀系数；α2为汽封体（汽缸）材料线膨胀系数。

由于汽封圈是上下半分装，所以安装间隙分为上下两半，数值分别为算出的总间隙除以2。

3.3 汽封圈的支撑设计及计算

汽封圈的支撑设计及计算是汽封圈设计中的重点也是难点。

目前所设计的DAS汽封圈，都是可退让汽封圈。所谓可退让，就是指汽封圈有一定的回弹余量；当转子高速旋转时，如果转子径向圆跳动高于计算值，吃掉了汽封圈与转子之间的间隙，那么转子就会与汽封圈最里层的汽封齿相撞。图8为汽封圈间隙退让示意图。如果汽封圈是刚性装配在汽封体或者汽缸上的，那这样的撞击很可能会打坏汽封圈，损坏汽封体，划伤转子，严重危及机组的安全。

图8 汽封间隙退让图

DAS汽封圈的圈头部与汽封体之间有一个弹簧，各弧段是靠弹簧与汽封体间接相连的。当转子撞击汽封齿的时候，弹簧就起到了一个很好的缓冲作用，使得汽封圈与汽缸变成了柔性装配。

由DAS汽封圈结构可知，其支撑设计实际上就是弹簧的选择与布置。

图9为汽封圈剖面图。由汽封圈弧段受力分析可知，上半汽封圈受到向下的弹簧弹力以及汽封体（汽缸）对弧段的反向（向上）支撑力。所以弹簧弹力对支撑基本没有作用。而下半汽封圈的重量则全部压在弹簧之上，如前文介绍。简化计算后，则等效于下半圈汽封圈的重量由下半圈汽封圈上的弹簧平衡，并提供一定的回弹余力。

图9 汽封圈剖面图

简化之后的计算公式及判断方法如下：

式中：H为弹簧工作时的变形量，H=D原-D，另外要求，H+A≤Hmax，mm；G为整圈汽封的重量，G=mg，N；K为合力系数，见下文；Z为汽封圈弧段数；n为每弧段弹簧个数；k为弹簧在工况下的钢度系数。

确定变量的取值时，首先根据经验粗定整个汽封圈的弧段数Z；再由几何尺寸确定弹簧规格（直径d）；最后调整每弧段弹簧数，来满足不等式的要求，达到设计目的。

设计过程中，D值是可以自由调整，以满足H的要求；A值大小通常情况下取3.15 mm，无特殊情况不做更改。合力系数K的选取，是由汽封圈弧段数以及每弧段弹簧数确定后，由下半汽封圈弹簧受力分析得出的下半弹簧向上合力除以弹簧个数与每个弹簧弹力之积的结果。旨在简化弹簧向上合力的计算过程。表1给出了6弧段汽封圈不同弹簧数对应的合力系数。

表1 6弧段汽封圈合力系数

由表1可知，6弧段汽封圈设计时，随着每弧段弹簧数的增加，合力系数越来越接近0.645。根据多次计算得出，不同弧段数也存在着相同的规律，其数值在弧段弹簧数较多时，同样接近0.645。所以，在工程计算中，小数点后三位的误差如果忽略，那么在计算弹簧时的合力系数，均可取0.645，误差在允许范围之内。但是当弧段弹簧数较少时，建议根据受力分析结果选取合力系数K。

另外，在计算弹簧刚度系数的时候，特别注意是在工作温度下的弹性模量，其刚度系数计算方法在此不再做介绍。