1、第 卷 第 期 年 月 汽 轮 机 技 术.自紧式 形金属密封对汽缸中分面汽密性改善研究周文慧，马利江，柏 燕，潘虹宇，陈涛文（杭州汽轮动力集团股份有限公司，杭州）摘要：为解决汽缸中分面局部汽密性薄弱问题，提出一种自紧式 形金属密封结构改善汽缸中分面局部汽密性的新方法。阐述自紧式 形密封的结构组成及改善汽缸局部汽密性工作机制。建立 形密封结构工作全过程有限元模型，分析工作全过程中 形密封结构的密封性能及压缩回弹性能，并研究各工作参数对接触压力、接触宽度的影响。结果表明，自紧式 形密封结构压缩卸载后回弹率达到，具有优异回弹性能和重复使用性；高温承压后，接触区域最大接触应力及接触宽度均增大，具备良
2、好的自紧特性；材料许可范围内，压缩量、工作压力增大，最大接触应力、接触宽度均增大，密封性能提高；温度升高，密封性能下降。形密封结构可用于提高汽缸中分面汽密性薄弱区域密封性能。关键词：自紧式密封；形密封结构；汽缸汽密性；接触应力；接触宽度分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，；，；，；：；收稿日期：作者简介：周文慧（），男，硕士研究生，工程师。主要从事汽轮机结构设计。前 言汽缸作为汽轮机重要部件之一，其工作条件极为苛刻，在长期服役中需能承受来自高温高压蒸汽引起的热应力和热变形。汽缸变形严重时中分面会发生局部分离现象，造成中分面法兰漏汽，对机组的安全运行和经济效益存在不利影响，因而研究改善
3、汽缸中分面汽密性显得尤为重要。目前改善汽缸中分面汽密性主要方法有合理优化螺栓大小及布置、增加局部壁厚等，方法。但上述方法对汽缸结构空间有要求，且需设计阶段优化结构，当汽缸汽密性薄弱区域空间局促或者已加工制造完成时，上述方法难以使用。自紧式金属密封属于弹性金属密封技术，它能够适应高温、高压等严苛工况，且拥有一定的回弹性能，无需很大的预紧力即可达到良好的密封效果。根据金属密封件的截面形状可以分为 形、形、形、形等，截面形状不同，性能也各有差异。形密封由于其在结构上具有朝向压力侧的开口，能够依靠自身的弹性变形产生较高的密封比压来弥补密封面间的微小泄漏，具有良好的自紧性能和回弹性能。目前关于自紧式金属
4、密封的研究多集中于航空航天领域，且均为环状结构。等人搭建实验平台研究了 形密封环泄漏问题。等人通过不同合金材料的 形密封环应力松弛实验，分析了密封环压缩回弹特性和应力分布。索双富等分析了 形密封环结构参数、层数、温度对轴向刚度的影响。龚雪婷等利用有限云分析了 形密封环的弹塑性接触变形。第 期周文慧等：自紧式 形金属密封对汽缸中分面汽密性改善研究本文提出一种新型自紧式金属密封结构用于改善汽缸中分面局部汽密性，采用有限元法研究 形密封结构的密封及压缩回弹特征，并分析工作参数对密封区域密封特性的影响，为汽缸中分面局部汽密性改善提供了一种新的思路。形金属密封结构及工作原理 结构简介自紧式 形密封安装于
5、汽缸中分面的腰形槽内，由 形密封条、中间支撑体、端部密封组成，如图 所示。图 形密封结构截面示意图中间支撑体两端与密封接头相连，端部密封块可在导向块的导向槽内沿深度方向滑动。中间支撑体可保持 形密封条在槽内的稳定性，支撑体两端的密封头及导向块导向槽，保证中间支撑体沿竖直方向自由运动。形密封改善汽缸局部汽密性工作原理某型汽缸排汽压力为，超出设计准则的最高排汽压力，经有限元软件对汽缸中分面汽密性分析，汽缸中分面靠近后汽封处局部区域汽密性较薄弱，有漏汽隐患。该机型结构空间局限，传统的调整螺栓布局等方法改善该薄弱区域汽密性困难，提出采用自紧式 形密封结构改善汽缸局部汽密性。根据汽缸法兰面汽密性薄弱区域
6、形状，设计 形密封结构形状尺寸，并在汽缸中分面加工对应腰形安装槽，如图 所示。图 形密封环工作原理图自紧式 形密封结构安装在汽缸汽密性薄弱区腰形槽内时，开口方向朝向压力高侧，如图 所示。根据汽缸装配及工作过程可知，形密封结构工作过程包括预紧密封阶段和工作密封阶段。预紧密封：汽缸装配阶段，形密封结构在汽缸上半重力及中分面法兰螺栓预紧力作用下受到压缩，形密封条在与汽缸中分面法兰接触区域发生变形，接触区域密封面间产生较大的预紧密封比压，建立初始密封。工作密封：汽缸在工作状态下承受高温蒸汽的压力及热变形，中分面汽密性薄弱区域会产生微量相互脱离。形密封条内壁承受蒸汽压力及高温发生变形，弥补密封面间的微小
7、间隙，并在接触区域密封面间产生附加密封压紧力，与汽缸上法兰面保持紧密接触，维持一定的接触应力，以保证汽缸中分面的汽密性。形密封结构有限元模型建立 形密封结构工作时，形密封条在支撑体的支撑下水平放置于汽缸中分面汽密性薄弱区域腰型槽内，如图 所示。支撑体两端的端部密封块可沿导向块内导向槽在深度方向自由滑动（），仅起导向和密封作用，故模型简化时可略去端部密封块，导向块，简化后三维模型如图 所示。图 自紧式 形密封结构模型及参数由于密封结构沿轴线方向各截面形状，约束均相同。分析时汽缸汽密性薄弱区域微量脱离均取最大值，工作时温度、压力均相同，故为简化计算，在此采用二维平面模型分析，在接触区域进行网格细化
8、，并将接触区各节点进行编号，如图 所示。图 形密封结构边界条件及加载情况预紧工况下，固定下法兰面，上法兰面给初始压缩量。工作工况下，形密封结构完成预紧压缩，形密封条与上、下法兰面，中间支撑体均受到温度载荷，形密封条内侧受到工作压力，如图 所示。图（）所示为 形密封结构参数示意图，本文算例中 形密封结构参数的具体数值见表。形密封条材料选用镍基高温合金，其在高温环境中有着优异的综合性能。支撑体材料选用奥氏体不汽 轮 机 技 术第 卷 表 形密封结构参数单位：密封环自由态高度 接触面曲率半径 壁厚 波峰半径 波谷半径 波高 端部密封头高度 间隙 锈 钢，汽 缸 法 兰 面 材 料 为 耐 热 铸 钢
9、，各材料主要力学性能参数见表。表 材料的力学性能参数参 数弹性模量 泊松比屈服应力 抗拉强度 工作全过程密封特性分析汽缸工作过程需经历装配预紧阶段，通入蒸汽后承受高温高压，停机过程中卸压冷却，以及后期拆检分离。由此可知，安装于汽缸中分面凹槽内的 形密封结构工作全过程也经历 个阶段：装配预紧、高温承压、卸压降温、拆卸分离。各阶段影响密封特性的工况参数主要为压缩量、工作温度、工作压力。本文选取各工作阶段工况参数变化如图 所示，通过分析密封性能和压缩回弹性能来探讨 形密封工作全过程密封特性。图 自紧式 形密封工作全过程工作参数 密封性能分析密封接触区域合理的应力分布有利于确保 形密封条工作在材料强度
10、允许范围内，而密封面间足够的接触应力是取得良好密封效果的重要保证。故装配预紧和高温承压阶段的应力分布特征，特别是密封接触区域的接触应力是 形密封结构的密封效果的重要表征参数。装配预紧和高温承压两个阶段的等效应力分布如图 所示。由图 （）可以看出，装配预紧阶段 形密封的等效应力呈上下对称分布，且同一位置沿厚度方向，内侧应力最大，中间位置应力最小。波谷位置应力明显偏大，波峰处应力很小。这是由于波谷的内壁处受压，外壁处受拉导致，而波峰处有支撑体起到支撑作用，减小波峰受力。最大应力为，位于波谷位置内侧中间，小于屈服极限。由图 （）可以看出，高温承压阶段最大应力仍位于波图 不同工作阶段等效应力分布谷处，
11、但位置向上、下两边移动，这是因为密封条内壁受介质压力，由于支撑体的支撑作用，波谷靠近支撑体侧刚度大，使得最大应力位置有所移动。最大应力为，小于该温度下材料屈服极限，满足高温高压工作条件要求。形密封结构全工作过程的接触应力分布如图 所示。装配预紧后，接触应力、最大等效应力均随着压缩量增大而增大；高温承压后，接触压力继续增大，最大等效应力反而减小，这是由于承压后，接触面发生微量脱离导致 形密封结构压缩量减小。卸压降温后，接触应力减小，最大等效应力增大。图 常温预紧工况 形密封条接触应力 压缩回弹性能分析压缩回弹性能是表示在加、卸载的过程中，形密封结构压缩量随载荷的变化关系。压缩回弹率越高，表明 形
12、密封结构的弹性恢复能力越强，更易于补偿汽缸汽密性薄弱区域的间隙，且有利于密封结构的重复使用。在压缩回弹性能的衡量上，采用回弹率作为衡量指标，可表达为：式中，为压缩回弹率；为 形密封条初始自由高度；第 期周文慧等：自紧式 形金属密封对汽缸中分面汽密性改善研究为加载压缩后高度；为卸载后密封条自由高度。本文通过对常温预紧工况下加、卸载过程中，形密封结构的压缩回弹性能进行数值模拟。结果如图 所示。图 形密封压缩回弹曲线由图 可知，加载时，形密封接触区域的线载荷随着压缩量增大而增大，在最大压缩量 时，最大线载荷为。卸载过程中，当压缩量减到 时，此时线载荷趋近于，在此将 称为永久变形量。回弹量为，即回弹率
13、 为，说明 形密封结构具有优异的回弹性能，可用于补偿汽缸汽密性薄弱区域的微小间隙，可重复使用。工作参数对密封性能的影响 形弹性金属密封的密封性能主要影响因素为接触面的粗糙度、接触压力及接触宽度。其中表面粗糙度的大小在零件加工完成后已经确定。接触压力、接触宽度由压缩量、工作压力、温度、密封环结构参数等因素决定。本节主要探讨在 形密封结构的结构参数（见表）选定情况下，工作参数（压缩量、工作压力、温度）对密封性能的影响。如图 所示，随着压缩量增大，接触应力增大，增速趋缓，表明在结构强度容许的范围内，压缩量越大，表征密封性能的最大接触应力越大，密封效果越好，最佳压缩量为。图 所示为预紧工况不同压缩量下
14、接触区域的接触应力变化曲线。可以看出曲线呈抛物线形，接触应力在接触面中部最大，并向两侧逐渐减小。且接触区域最大接触应力随着压缩量增大而增大，而接触区域宽度基本保持不变。根据接触节点编号可发现，随着压缩量增大，接触位置沿着径向向靠近密封条轴中心侧移动。图 所示为温度，压缩量分别为、时，形密封条在不同工作压力下的最大接触应力曲线。由图 可知，随着工作压力的增大，最大接触应力与工作压力呈正相关。且不同压缩量下，工作压力对接触应力的变化趋势基本相同。如图 所示，接触宽度随着接触压力的增大，有了明显的增大，时的接触宽度是预紧工况下的 倍，说明 形密封结构密封性能随着内压的增大有了显著的提高，有良好的自紧
15、性能。图 所示为压力，压缩量分别为、时，工作温度对 形密封结构的密封性能的影响。由图 可知，当温度升高时，接触区域的最大接触应力减图 最大接触应力压缩量关系图 不同压缩量下接触应力分布图 不同压缩量下最大接触应力工作压力关系图 不同工作压力下接触应力分布汽 轮 机 技 术第 卷小，但减小幅度较弱。如图 所示，随着温度升高，接触区域的宽度基本保持不变。故温度升高，形密封结构的密封性能降低。图 不同压缩量下最大接触应力工作压力关系图 不同工作压力下接触应力分布 结 论（）分析 形密封结构加载卸载过程中预紧载荷变化得到压缩回弹曲线，结果表明 密封结构具有优异的回弹性能，可用于补偿汽缸汽密性薄弱区域的
16、微量脱离，回弹率达到，可重复使用。（）分析常温阶段和高温承压阶段 形密封结构等效应力分布，最大应力均在波谷内侧处，表明 形密封结构波谷位置最可能产生塑性变形失效。（）增大预紧压缩量，最大接触应力和等效应力均明显增大，接触区域位置往波谷方向移动，接触宽度基本保持不变，最佳压缩量为。（）预紧压缩量、工作温度不变时，工作压力增大，接触应力、接触宽度均明显随之增大，故 形密封结构有良好的自紧性能。（）预紧压缩量、工作压力不变时，工作温度升高，接触应力减小，接触宽度基本不变，且温度升高，材料需用应力降低，故工作温度升高，密封结构的密封性能下降。参 考 文 献 曹 敏，吴辉贤 驱动用小汽轮机汽缸汽密性分析及结构优化 化工设备与管道，（）：张 超，刘龙海，李相鹏 高背压式工业汽轮机排汽缸结构分析与优化 动力工程学报，（）：，；张大伟，雷 征，闫方琦，等 自紧式 形金属密封特性及悬臂结构影响 机械科学与技术：程天馥，李双喜，马钰虎，等 自紧式开口静态封严密封环结构的设计及优化润滑与密封，（）：，杜宸宇，孙 丹，赵 磊，等 异形结构弹性金属密封环力学特性数值研究 润滑与密封，（）：陈 希 航空发动机用金