超超臨界汽輪機(jī)紅套環(huán)高壓內(nèi)缸密封性研究

董 慧 文 謀 高 風(fēng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，德陽 618000）

隨著大功率汽輪機(jī)參數(shù)的不斷提高，汽缸尺寸不斷增加，造成機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)和變工況時(shí)汽缸法蘭內(nèi)外壁溫差過大而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。當(dāng)前，超超臨界汽輪機(jī)多數(shù)采用紅套環(huán)筒型內(nèi)缸切向進(jìn)氣。這種結(jié)構(gòu)壁薄、緊湊、受力均勻以及熱應(yīng)力小，能避免缸體在運(yùn)行中出現(xiàn)扭曲問題。

因高壓內(nèi)缸長期處于高溫、高壓蒸汽環(huán)境，導(dǎo)致高壓內(nèi)缸產(chǎn)生高溫蠕變應(yīng)力、蠕變應(yīng)變，需要降低高壓內(nèi)缸的蠕變斷裂韌性[2]。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸進(jìn)行了密封性、強(qiáng)度分析等研究。例如，文獻(xiàn)[3-5]對紅套環(huán)高壓內(nèi)缸蠕變強(qiáng)度及密封性進(jìn)行了理論分析。但是，隨著機(jī)組運(yùn)行持續(xù)時(shí)間逐漸變長，高壓內(nèi)缸密封效果逐漸下降，需要通過有效的分析手段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)的密封優(yōu)化處理方式相比，有限元分析覆蓋的范圍大，針對性更強(qiáng)，能夠更好地解決紅套環(huán)高壓內(nèi)缸日常應(yīng)用工程中存在的細(xì)節(jié)問題，避免出現(xiàn)關(guān)聯(lián)性損壞。此外，由于1 000 MW機(jī)組不同直徑的過盈紅套環(huán)對高壓內(nèi)缸的作用程度不同，采用有限元進(jìn)行特征分析，可以最大限度避免密封優(yōu)化的誤差，打破傳統(tǒng)密封模式的局限，更好地解決內(nèi)缸內(nèi)漏問題。本文基于有限元分析方法，對某超超臨界1 000 MW機(jī)組紅套環(huán)高壓內(nèi)缸密封性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。

1 紅套環(huán)高壓內(nèi)缸設(shè)計(jì)

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

1.1 材料選擇

高壓內(nèi)缸的材質(zhì)為CrMoNiWVNbN，紅套環(huán)的編號從進(jìn)汽側(cè)到排汽側(cè)呈升序排列（詳見圖2）。根據(jù)離進(jìn)汽區(qū)距離遠(yuǎn)近，計(jì)算各個(gè)紅套環(huán)所處級次溫度。將序號1～序號3的紅套環(huán)劃分為高溫段紅套環(huán)，材質(zhì)設(shè)置為耐熱鋼CrCoWNiMo；序號4～序號6的紅套環(huán)劃分為低溫段紅套環(huán)，材質(zhì)設(shè)置為耐熱鋼CrMoNi。表1為高壓內(nèi)缸和紅套環(huán)在機(jī)組運(yùn)行參數(shù)條件下的相應(yīng)線脹系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1.2 過盈量設(shè)定

紅套環(huán)高壓內(nèi)缸工作參數(shù)及材料確定后，需要針對內(nèi)缸的應(yīng)用狀態(tài)確定實(shí)時(shí)過盈量。過盈實(shí)際上是一種定向的連接方式，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備與裝置的連接和密封處。如何確定過盈量非常關(guān)鍵。過盈量太小不能保證汽輪機(jī)在長期運(yùn)行過程中汽缸上、下半中分面的氣密性依然良好且不內(nèi)漏，而過盈量太大又會(huì)導(dǎo)致汽缸和紅套環(huán)的應(yīng)力過大，且難以滿足兩者的強(qiáng)度要求[1]，會(huì)增加裝配難度。

紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸名義過盈量的設(shè)計(jì)判據(jù)為：

式中：DZ為紅套環(huán)所在位置處汽缸外徑直徑取值；DR為紅套環(huán)的內(nèi)徑直徑取值；Rb1為紅套環(huán)所在位置處汽缸外徑半徑取值；Rb2為紅套環(huán)的內(nèi)徑半徑取值。

經(jīng)過對比表1的參數(shù)發(fā)現(xiàn)，紅套環(huán)材料的線脹系數(shù)和高壓內(nèi)缸材料的線脹系數(shù)相近。文獻(xiàn)[6]指出，如果紅套環(huán)的線膨脹系數(shù)與高壓內(nèi)缸的線膨脹系數(shù)相近，名義過盈量取值約為高壓內(nèi)缸外半徑的0.001倍。本文結(jié)合文獻(xiàn)[6]及類似機(jī)組的取值，有限元分析時(shí)將序號1～序號3級紅套環(huán)處過盈量設(shè)定為0.001 3，序號4～序號6級紅套環(huán)處過盈量設(shè)定為0.001 2。

2 有限元分析

內(nèi)缸氣密性分析主要從兩方面考慮：一是機(jī)組在冷態(tài)、啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，內(nèi)缸中分面必須具有良好的接觸；二是機(jī)組在運(yùn)行一個(gè)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(dǎo)入有限元分析軟件，按照設(shè)計(jì)判據(jù)給定初始過盈，在模型中建立接觸關(guān)系，施加強(qiáng)度工況下對壓強(qiáng)載荷進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過多次試算和優(yōu)化，得出如下的分析結(jié)果。

一方面，在冷態(tài)、啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，內(nèi)缸中分面接觸壓應(yīng)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(nèi)外壁壓差連續(xù)密封帶，汽缸的氣密性滿足設(shè)計(jì)要求。

另一方面，長期在高溫下工作，高壓內(nèi)缸切向進(jìn)汽區(qū)域紅套環(huán)、螺栓的高溫蠕變尤為明顯。通過蠕變分析可知，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的逐漸變長，內(nèi)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(jìn)汽腔室區(qū)域的接觸壓應(yīng)力有所下降，但內(nèi)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(yīng)力基本保持不變，說明整個(gè)中分面依然保持一定的接觸壓應(yīng)力，上、下缸之間的接觸壓應(yīng)力滿足運(yùn)行8年的要求，滿足運(yùn)行一個(gè)大修期后依然保持較好的氣密性要求。

3 結(jié)語

針對某超超臨界汽輪機(jī)1 000 MW機(jī)組紅套環(huán)高壓內(nèi)缸的設(shè)計(jì)，通過合理的材料選取和過盈量設(shè)定，經(jīng)過有限元分析驗(yàn)證了汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)和穩(wěn)定運(yùn)行直至連續(xù)工作一個(gè)大修期內(nèi)，高壓內(nèi)缸整個(gè)中分面依然保持一定的接觸壓應(yīng)力，且汽缸的氣密性良好。