波纹管组件对新型轴端无间隙汽封密封性能的影响.pdf

收稿日期：2023-06-06基金项目：辽宁省教育厅项目（JL-1904）作者简介：孟召军（1970-），男，辽宁凌源人，教授，硕士生导师，硕士，主要从事汽轮机故障诊断与性能优化等方面的研究。波纹管组件对新型轴端无间隙汽封密封性能的影响孟召军a，张淏a，孟书宇b，王克宇a，刘达a（沈阳工程学院 a.能源与动力学院；b.自动化学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：针对某新型轴端无间隙汽封，利用有限元软件对其进行建模，模拟该汽封在某 600MW机组高、中压缸轴端运行并在轴封系统不投入工作时的极限情况下，汽封组件中不同厚度波纹管对新型汽封密封性能的影响并进行仿真分析。结果表明：波纹管在高、中压缸轴端运行过程中的温度分布不超过其自身材质的蠕变温度；随着波纹管厚度的增加，应力水平不断减小，当厚度分别达到3 mm和1.5 mm时，应力没有超过该汽封组件自身材质的屈服极限，同时波纹管和弹簧之间产生的最大径向变形量分别为2.517 9 mm和0.639 5 mm，远小于汽封组件与转轴之间预留的径向间隙，验证了该汽封结构的合理性。关键词：新型轴端汽封；波纹管；有限元；热应力；变形中图分类号：TK263.2文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）04-0016-04在汽轮机中，轴端蒸汽的泄漏主要存在于高、中压缸的分缸结构或高、中压缸的合缸结构，因为其轴封位置的蒸汽压力大于外界大气压力，蒸汽不可避免地要从此处外漏，而蒸汽的泄漏必然导致机组效率降低；对于汽轮机的低压缸，由于其内部蒸汽压力小于外界大气压力，则必然导致空气漏入排汽装置1。为了提高机组效率，必须减少机组各处的漏气量，同时又要保证汽轮机安全运行，特设置了各种汽封。但由于传统汽封存在易磨损、漏气量大等缺点，严重降低了机组的热效率和安全性2，所以研发新型汽封、改进并提高汽封的工作性能便成为了一项重要课题。对此，文献 3 提出了一种减少汽轮机漏气损失的新型轴端无间隙汽封，提高了汽轮机真空系统的严密性，减轻了抽气器的负担，使机组的经济性得以提高。针对该新型轴端汽封，文献 4-6 利用有限元软件对该汽封在高压缸中应用的可行性、轴端端面碰摩及对汽轮机转子在运行状况下的稳定性产生的影响进行了有限元分析，验证了新型汽封的可行性及可靠性。在新型汽封中，波纹管主要起预紧及缓冲的作用。波纹管在工作时，波峰波谷都会产生相当大的应力，当应力超过波纹管的屈服极限时，波纹管很容易被破坏，使波纹管失效，引起密封泄露7。为进一步完善该汽封，有必要通过有限元软件模拟该汽封在高、中压缸轴端的实际工作环境，并在轴封系统不投入工作时分析新型轴端无间隙汽封组件中不同厚度的波纹管在极限情况下对新型汽封密封性能的影响，以推广这种汽封的应用。DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.04.004第 19 卷第 4 期2 0 2 3 年 10 月Vol.19 No.4Oct.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）1有限元模型的建立及网络划分新型轴端无间隙汽封由转轴、金属圆盘、石墨环、波纹管、弹簧、壳体和底座等组件组成，其结构如图1所示。1-汽轮机转轴；2-金属圆盘；3-密封石墨环；4-波纹管；5-弹簧；6-壳体；7-底座图1新型轴端汽封结构波纹管和弹簧的一端固定在壳体上，波纹管设计成波浪形，可做轴向伸缩；另一端的石墨环直接嵌入在波纹管的底座内；金属圆盘焊接在汽轮机转轴上，转轴带动金属圆盘一起旋转，靠弹簧的轴向推力将石墨环推向金属圆盘，实现石墨环和金属圆盘的紧密接触，形成无间隙汽封8。这样就防止了汽缸内蒸汽的外漏及空气的漏入。结合文献 3 及某电厂600 MW超临界汽轮机转轴尺寸，建立新型轴端无间隙汽封的几何模型，如图2所示。模拟新型轴端汽封在高、中压缸工作环境，设置不同厚度的波纹管，弹簧数量为4个。对建立的几何模型进行网络划分，结果如图3所示，计算模型的节点总数为187 989，单元总数为59 217。图2新型轴端汽封几何模型图3有限元模型网络划分由于高、中压缸末端的初始环境温度很高，故选取耐高温的石墨密封环材料，型号为M238H（浸渍类碳石墨），波纹管的材料是316不锈钢9，弹簧选择具有良好耐热性的GH4145合金弹簧10，石墨密封环、波纹管和弹簧的材料物性参数如表 1 所示。汽轮机转子的材质为 30Cr2Ni4MoV11，其物性参数随温度的改变而改变，金属密封环采用与汽轮机转子相同的材质，其物性参数列于表2中。底座与壳体选用与弹簧相同的金属材质。表1石墨环、波纹管及弹簧的材料物性参数材料石墨环波纹管弹簧材料弹性模量/GPa50200206泊松比0.2540.30.3热导率/（Wm-1K-1）1 80016.360.5比热/（Jkg-1K-1）816580550热膨胀系数10-6/K5.21213屈服极限/MPa2103101 320表2金属圆盘及转子大轴的材料物性参数温度/20100200300400500600材料弹性模量/GPa214212205199190178176泊松比0.2880.2920.2870.2990.2940.3050.307热导率/（Wm-1K-1）48.547.144.842.840.337.535.3比热/（Jkg-1K-1）554574599624666720804热膨胀系数10-6/K11.5912.3213.0913.7114.1814.67屈服极限/MPa600600600600第 4 期孟召军，等：波纹管组件对新型轴端无间隙汽封密封性能的影响17第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）2边界条件对应用在高、中压缸轴端的两种不同工作环境下的新型轴端无间隙汽封进行模拟，将密封石墨环与金属圆盘的接触面定义为Frictional，摩擦系数设置为0.1。在模拟时，边界条件中参考文献 7，对壳体左端面施加0.154 8 MPa的压强并对壳体施加位移约束，x方向和y方向设置为0 mm，z方向（轴向）设置成free。汽轮机大轴的转速设置为3 000 r/min，标准状况下大气压设置为0.1 MPa，第一次模拟的初始温度（汽轮机高压缸末级蒸汽的温度）设置为312，高压缸排气压力设置为3.524 9 MPa，第二次模拟的初始温度（汽轮机中压缸末级蒸汽的温度）设置为333，中压缸排气压力设置为0.794 9 MPa12。3仿真结果分析在施加边界条件后，经过有限元软件计算，新型轴端无间隙汽封组件中的波纹管应用在高、中压缸轴端的温度分布如图4所示。图4不同厚度波纹管的温度分布由图4可知：新型轴端汽封在高压缸运行状况下，其组件中的波纹管所产生的最高温度为273.18，由于波纹管的导热系数大，传递到波纹管的热量逐渐散入到周围的环境中，波纹管的温度逐渐降低，最高温度没有超过引起波纹管材料发生蠕变的温度；在中压缸轴端运行时，波纹管的最高温度为294.23，随着波纹管厚度不断增加，温度基本没有发生改变，最高温度小于引起波纹管材料发生蠕变的温度。新型轴端无间隙汽封组件的波纹管在高、中压缸轴端运行产生的应力分布如图5所示。图5不同厚度波纹管的应力分布由图5可知：0.5 mm厚度的波纹管在高压缸末端工作时所产生的最大应力数值为1 711.8 MPa，这是由于在高压缸轴端的蒸汽压力过高，波纹管无法承受末端的蒸汽压力，导致应力过大，其最大应力值远大于波纹管材料的屈服极限（310 MPa），进而导致波纹管发生屈服，引起密封失效，随着波纹管厚度增加，应力逐渐减小，在波纹管厚度达到 3 mm 时，产生的最大应力值为 262.25 MPa，没有超过波纹管材料的屈服极限；0.5 mm厚度的波纹管在中压缸末端工作时所产生最大应力数值为 437.82 MPa，会使波纹管发生屈服，当厚度达到 1 mm 时，其应力为 181.33 MPa，在屈服极限以下。因此，在高、中压缸轴端工作环境下，波纹管的厚度需分别大于3 mm和1 mm，才能使波纹管不会发生屈服。波纹管在高、中压缸轴端工作时的变形情况如图6所示。图6不同厚度波纹管的变形分布18由图6可知：厚度为0.5 mm的波纹管在高压缸轴端工作时的径向变形量最大，最大值为1.5602mm，随着波纹管厚度的不断增加，波纹管变形量越来越小，当波纹管厚度为3 mm时，变形量仅有0.275 9 mm，而弹簧的最大径向变形量约0.957 72 mm，波纹管与弹簧之间的最大变形量约为2.517 9 mm，波纹管与弹簧之间的设计间隙为2.4 cm，弹簧与轴之间的设计间隙为2.7 cm，不会超过波纹管、弹簧及转轴之间的设计间隙；0.5 mm厚度的波纹管在中压缸轴端工作时产生的最大径向变形量为0.444 3 mm，当波纹管壁厚超过 1 mm 之后，其变形量基本一致，数值为0.135 1 mm，弹簧的最大径向变形量为0.504 4 mm，波纹管与弹簧之间的最大变形量为0.639 5 mm，同样没有超过波纹管、弹簧及转轴之间的设计预留间隙。因此，波纹管与弹簧、弹簧与转轴之间不会发生碰摩，说明波纹管、弹簧及转轴之间的设计间隙是合理的。4结论针对文献 3 提出的新型轴端无间隙汽封，利用有限元软件对应用在某600 MW机组高、中压缸轴端并在轴封系统不投入工作时的新型轴端无间隙汽封部分组件进行仿真分析，可以得出如下结论：1）应用在高、中压缸轴端并在轴封系统不投入工作时的新型汽封组件中的波纹管产生的温度场不超过其材料的强度极限，说明了波纹管的选材合理。2）随着汽封组件中波纹管厚度的不断增加，应力水平逐渐降低。在高压缸工作的波纹管的厚度达到3 mm时，所产生的应力没有超过波纹管材料的屈服极限；在中压缸工作的波纹管的厚度设为1.5 mm时，所产生的应力没有超过材料的屈服极限。因此，在高、中压缸轴端工作的波纹管的厚度应分别大于3 mm和1 mm，才能使波纹管不会发生屈服。3）汽封组件中不同厚度的波纹管和弹簧在高、中压缸轴端工作时产生的最大径向变形量分别为2.517 9 mm和0.639 5 mm，远小于汽封组件与转轴之间预留的径向间隙，不会与转轴及组件之间发生碰撞，验证了该汽封的设计结构是安全合理的。参考文献1付喜亮.迷宫式汽封数值模拟研究 D.保定：华北电力大学，2014.2孙晓东.煤矸石热电厂 12 MW 汽轮机汽封改造及应用 J.长沙大学学报，2017，31（2）：30-31.3 孟召军，王光定，盛伟.超临界汽轮机新型轴端无间隙汽封：CN201510013169.5 P.2015-07-22.4孟召军，姜昊言，张淏，等.汽轮机新型轴端汽封的温度场和应力场分析 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2022，18（3）：20-22.5孟召军，刘晶晶，刘彦良，等.汽轮机新型轴端汽封碰磨的有限元分析 J.汽轮机技术，2019，61（6）：451-453.6孟召军，刘晶晶，刘彦良，等.新型汽封对汽轮机低压转子模态影响 J.汽轮机技术，2020，62（3）：199-202.7姜宏春，蔡纪宁，张秋翔，等.机械密封用挤压成型金属波纹管应力及轴向刚度的有限元分析 J.化工设备与管道，2007（5）：13-17.8 刘晶晶.汽轮机轴端端面无间隙新型汽封的研究 D.沈阳：沈阳工程学院，2020.9 吴媛媛.机械密封焊接金属波纹管的疲劳寿命计算及分析 D.兰州：兰州理工大学，2017.10叶隆，叶超超，余海燕.GH 4145耐高温弹簧有效工作温度实验与分析 J.时代农机，2020，47（2）：85-87.11 潘东煦，顾剑锋，陈睿恺，等.30Cr2Ni4MoV低压转子钢不同微观组织下的力学性能 J.金属热处理，2011，36（5）：1-4.12 叶涛，张燕平.热力发电厂 M.5版.北京：中国电力出版社，2016.第 4 期孟召军，等：波纹管组件对新型轴端无间隙汽封密封性能的影响（下转第55页）19Tap-changer Selection of Three-winding Step-down TransformerLYU Boyu1,XU Zhiyou1,QIU Wei1,XU Cong2,WANG Haiyue3（1.School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province;2.Shenyang Borui Power Technology Co.,Ltd.,Shenyang 110000,Liaoning Province;3.Inner Mongolia Shangdu Power Plant,Xilinguole 027200,Inner Mongolia）Abstract：In order to find out the complete solution of the three-winding step-down transformer tap,theinequality method was used to determine tap-changers on the high-voltage and medium-voltage side of theOLTC and NLTC three-winding step-down transformer.The calculation shows that not only the known solutionbut also the lost solution can be found for the three-winding OLTC step-down transformer,and for the three-winding NLTC step-down transformer,not only the known approximate solution but also the lost approximatesolution can be found when there is no solution.In a word,the inequalities method is superior to the averagemethod for the tap changers selection of three-winding step-down transformer.Keywords：Three-winding step-down transformer;on-load tap changer(OLTC);no-load tap changer(NLTC);inequalities第 4 期吕博宇，等：三绕组降压变压器分接头的选择Effect of Different Thickness Bellows on the Performanceof a New Type of Shaft End Clearance Free Steam SealMENG Zhaojuna,ZHANG Haoa,MENG ShuYub,WANG Keyua,LIU Daa（a.School of Energy and Power;b.School of Automation,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province）Abstract：In response to a new type of shaft end clearance free steam seal proposed in a certain literature,finite element software was used to model the new steam seal.The simulation analysis was conducted tosimulate the impact of different thickness corrugated pipes in the steam seal component on the performance ofthe new steam seal under the extreme conditions of operating the high and medium pressure cylinder shaft endsof a 600 MW unit and not putting the shaft seal system into operation.The analysis results showed that thecorrugated pipes in the new shaft end clearance free steam seal component were at high and low temperatures.During the operation of the intermediate pressure cylinder shaft end,the temperature distribution does notexceed the creep temperature of its own material.With the increase of the thickness of the bellows,the stresslevel continues to decrease.When the thickness of the high and intermediate pressure cylinders reaches 3 mmand 1.5 mm respectively,the stress does not exceed the yield limit of the own material of the steam sealassembly.At the same time,the deformation of the bellows in the steam seal assembly becomes smaller andsmaller with the increase of the thickness.The maximum radial deformation between the corrugated pipe andthe spring is 2.517 9 mm and 0.639 5 mm respectively,which is much smaller than the radial clearance reservedbetween the steam seal component and the shaft,indicating that the design structure of the steam seal applied tothe high and medium pressure cylinder shaft ends of the steam turbine is reasonable.Keywords：New shaft end steam seal;Bellows;Finite element analysis;Thermal stress;deformation（上接第19页）55