汽轮机新型轴端汽封的温度场和应力场分析

2022-08-19孟召军姜昊言

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2022年3期

孟召军，姜昊言，张淏，梁策

（沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳 110136）

汽轮机是实现热能向机械能转化的大型旋转机械，在这种能量转化过程中存在着各种损失，其中漏气损失大约占30%，而减少漏汽损失的关键部件就是汽封［1］。为了减少汽轮机的漏汽损失，各国科研人员投入了大量的精力对汽封进行了研究。文献［2］提出的汽轮机新型轴端无间隙汽封就是针对汽轮机轴封系统漏汽（气）量较大所提出的，其结构如图1所示。

图1 新型汽封结构

从图1 可以看出，这种新型汽封的结构特点是轴向接触，在不改变现有轴封系统的情况下，在汽轮机轴端加设这种汽封装置，由密封副1 和密封副2 紧密接触，形成无间隙密封副，以此达成减少漏汽（气）的密封效果。但由于该汽封尚无相关应用案例，为推广其使用，将该汽封应用在汽轮机低压缸的轴端，并对密封副之间的温度场及应力场进行了分析，验证了该汽封应用在低压缸时的可靠性［3］。本文利用有限元软件模拟该汽封应用在某600 MW 汽轮机的高压端时，密封副之间的温度场和应力场的分布情况，以此来探讨该汽封应用在高压缸轴端的可行性。

1 有限元模型及边界条件

考虑到新型汽封的结构特点，要分析密封副之间的温度场和应力场的分布情况，建模时只需对金属密封圆盘和石墨环密封进行实体建模，形成接触对，汽封的其他结构都可以作为边界条件以力的形式施加在石墨环外侧，所建模型如图2 所示，网格划分结果如图3 所示，其总节点数为16 714，单元数为12 954。

图2 密封副实体模型

图3 密封副网格划分

金属密封的副材料与转子的材料一致，均为30Cr1Mo1V，石墨密封环主要采用m254h 材料［4］。两种材料的主要物性参数分别如表1和表2所示。

表1 30Cr1Mo1V材料物性参数

表2 m254h的材料物性参数

石墨密封环靠弹簧紧力推向金属密封圆盘，由此形成密封副，具体参数及边界条件的选取参考文献［3］的方法。在额定工况下，汽轮机大轴的转速为3 000 rpm，设置空气侧的初始温度为32 ℃，蒸汽侧的温度（汽轮机高压缸末级排气温度）为347 ℃。热流量为摩擦功率7 814 W，并均匀分布在发生摩擦的两个面上的石墨环。由于受到弹簧施加的推力及波纹管的支撑力，石墨环与圆盘的非接触面最终作用在接触端面上，该力的大小可以等效成作用在非接触石墨环端面上的压力，参考文献［3］设定压力为0.154 8 MPa。

2 仿真计算结果及分析

2.1 温度场分布及分析

根据高压缸汽封密封副建立几何模型，利用Abaqus 软件，设定边界条件后进行仿真计算。密封部位温度场的整体分布如图4 所示，密封副接触部位截面温度的分布情况如图5所示。

从图4 可以看出，将新型轴封应用于600 MW汽轮机高压缸轴端，机组正常启动并维持稳定运行后，整个密封段的最高温度为347 ℃，出现在转轴上，与汽轮机高压缸的排汽温度基本保持一致。从图5 可以看出，虽然密封接触处的动静密封件间存在滑动摩擦，产生热量，但动静接触面间的最高温度为317.2 ℃，远低于转轴的温度，而且金属圆盘与主轴连接处的温度为337.5 ℃，也低于主轴的整体温度。这是由于新型汽封的金属圆盘可视为主轴的环肋，起到了加速散热的作用。由计算结果可知，石墨环的非接触部位的整体温度最低为313.38 ℃，最高温度为317.2 ℃，出现在接触面处，远高于周围空气的温度。此外，从表1 和表2 所给的数据中可知，石墨材料的导热能力比转子材料的导热能力强，且大于环境介质的导热能力。因此，转轴通过圆盘散失的热量以导热的形式传递给石墨环，而摩擦产生的热量不能通过石墨环及时散发，使得石墨环的温度不断升高，同时降低了圆盘与石墨环接触部位的圆盘温度，接触密封由于摩擦而产生的热量传递不到汽轮机转子上，整个温度场的计算结果没有超过转子和石墨材料的许用温度。由此可见，整个汽封温度分布的仿真结果十分均匀。