一种汽轮机可调汽封及弹簧片的设计方法与流程

1.本发明涉及汽轮机汽封领域，尤其涉及一种汽轮机可调汽封及弹簧片的设计方法。


背景技术：

2.在汽轮机内部用于做功的高温高压汽体是靠由汽封体和汽封圈组成的汽封来实现密封的，常见的为迷宫式汽封，迷宫式汽封中根据断面的形状不同常用的有从树型汽封和梳齿式汽封，其中梳齿式汽封因其汽封成本低、结构简单、安全可靠且易于安装而被广泛应用，梳齿式迷宫汽封的密封机理是在汽封圈的内圆及汽封套筒(高温部分为转子大轴)的外圆上车有许多相互配合的梳齿及凹凸肩，组成微小的汽封间隙及蒸汽膨胀室，以阻止蒸汽的泄漏；每道汽封环分成多汽封弧段，每个汽封弧段与汽封体之间装有弹簧片，使汽封块呈弹性压向中心，从而保持动静部分的最小间隙。
3.现有技术中采用菱形弹簧片，如附图1和附图2所示，利用其弹性作用使汽封圈的位置快速恢复，但由于菱型弹簧片存在截面突变，应力集中系数较大，易发生断裂，使用寿命较短，增加了汽轮机停机更换弹簧片的频率，影响汽轮机的工作效率，同时菱形弹簧片与汽封圈为单点或双点支撑，易引起汽封弧段受力不均，一方面使汽封弧段退让性不够稳定，另一方面在使汽封弧段回位时造成汽封弧段发生微量偏转，密封性不好。
4.因此，针对上述现有技术存在的现状，研发一种汽轮机可调汽封及弹簧片的设计方法是急需解决的问题。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术菱形弹簧片易断裂、汽封弧段退让性不良以及密封效果的不足，本发明提供了一种汽轮机可调汽封及弹簧片的设计方法，能够有效保持汽轮机动静部分的最小间隙、汽封圈良好的退让性和密封性，同时弹簧片不易断裂，使用寿命长。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种汽轮机可调汽封，包括汽封体和汽封圈，所述汽封圈为分段式结构，所述汽封圈包括至少4个汽封弧段，所述汽封体设置有安装槽，所述汽封体和所述汽封圈之间设置有弹簧片，所述弹簧片依次包括固定端、中间部和自由端，所述固定端、所述中间部和所述自由端的宽度均相同，所述固定端和所述自由端均为弧状结构，所述中间部为平直状结构，所述汽封弧段上设置有插槽，所述固定端插装在所述插槽内，所述固定端和所述自由端均与所述汽封体腔体顶部抵接，所述中间部能够沿所述汽封弧段滑移，所述安装槽呈倒凸字型，所述汽封弧段上还设置有限位板，所述限位板的两端能够与所述安装槽的台阶处抵接。通过本可调汽封中弹簧片限位板的作用，使汽封圈具有良好的退让性以及稳定保持最小间隙，同时本可调汽封中的弹簧片中间部与汽封弧段线接触且接触位置发生在中间部中部，不会导致汽封弧段发生偏转，保证了密封效果和较好退让性，同时本弹簧片应力集中系数相对菱形弹簧片较低，不易断裂，使用寿命较长。
7.进一步的，所述固定端的圆心角为c，120
°
＜c＜160
°
。一方面能够在收到汽封弧段作用力时立刻发生弹性变形，提高反应的敏捷性，另一方面，能够更牢固地安装在插槽内，避免脱落。
8.进一步的，所述自由端的圆心角为b，55
°
＜b＜65
°
。当中间部滑移时，自由端也会沿汽封体滑移，将其设置成弧度，能够使得汽封体对弹簧片的阻力转变为自由端的弹性变形，减少对中间部滑移的阻力，使中间部对汽封弧段产生足够的作用力。
9.进一步的，所述限位板可拆卸地安装在所述汽封弧段上，所述限位板与所述汽封弧段之间设置有调整垫片。能够根据需要调整汽轮机的最小间隙。
10.进一步的，所述限位板通过紧固螺栓安装在所述汽封弧段上，所述紧固螺栓头部设置有防松钢丝，所述防松钢丝与相邻所述汽封弧段上的所述紧固螺栓头部串联。通过紧固螺栓和防松钢丝能够方便拆装限位板和调整垫片，同时保持对限位板和调整垫片的紧固作用。
11.进一步的，所述弹簧片厚度为h，1.5mm＜h＜2.6mm。能够使弹簧片具有一定的强度，延长使用寿命，同时不会影响汽封圈的退让性。
12.进一步的，所述弹簧片采用3cr13材质或gh2136材质。
13.本方案还提供了一种弹簧片设计方法，所述弹簧片依次包括固定端、中间部和自由端，所述固定端、所述中间部和所述自由端的宽度均相同，所述固定端和所述自由端均为弧状结构，所述中间部为平直状结构，所述中间部长度为l，所述固定端和所述自由端的圆弧半径为r，所述弹簧片宽度为x，所述弹簧片厚度为t，所述弹簧片安装后沿对应的汽封圈径向方向的变形量为δ，与所述弹簧片对应的汽封体的安装槽顶部半径为r，所述汽封圈顶部和所述安装槽顶部的径向间隙为d，所述弹簧片计算方法包括以下步骤：
14.s01：计算对应弧段所述汽封体重量w；
15.s02：赋予l、r、x和t初始数值，赋予δ的约束数值δ0；
16.s03：计算所述弹簧片安装后实际的变形量δ1，
[0017][0018]
δ1＝(r-r)*(1-cosa)+t*cosa-d
[0019]
如果δ1＜δ0，则增大l再次进行计算弹簧片安装后实际的变形量，直达δ1≥δ0；
[0020]
s04：计算弹簧常数k，
[0021][0022]
其中，e为弹簧片工作温度下的弹性模量；
[0023]
s05：计算弹簧片的安装应力σ0，
[0024][0025]
如果σ0大于弹簧片的许用应力，则增大t，直到σ0不大于弹簧片的许用应力；
[0026]
s06：计算弹簧片松弛应力σr，
[0027]
[0028]
如果σr大于弹簧片的许用应力，则增大t，直到σr不大于弹簧片的许用应力；
[0029]
s07：使用三维软件建立同一弧段的弹簧片、汽封体和汽封圈的装配模型，所述弹簧片的尺寸为s06中最终确定的尺寸；
[0030]
s08：使用有限元软件分析弹簧片的受力和变形情况；
[0031]
s09：如果有限元软件分析结果中存在弹簧片的局部应力大于其屈服强度的情况，则减少r，直到弹簧片的局部应力均小于其屈服强度。通过将弹簧片分析计算和有限元分析进行结合，能够全方面和准确设计出满足使用要求的相应的弹簧片结构。
[0032]
进一步的，在所述s03至所述s08中，将弹簧片做为简支梁进行受力分析。
[0033]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0034]
本方案提供了一种汽轮机可调汽封及弹簧片的设计方法，通过本可调汽封中弹簧片限位板的作用，使汽封圈具有良好的退让性以及稳定保持最小间隙，同时本可调汽封中的弹簧片与汽封弧段线接触且接触位置发生在中间部，不会导致汽封弧段发生偏转，保证了密封效果和较好退让性，同时本弹簧片应力集中系数相对菱形弹簧片较低，不易断裂，使用寿命较长；通过设置固定端的圆心角度数能够提高反应的敏捷性和避免弹簧片脱落；通过设置自由端圆心角度数能够减少对中间部滑移的阻力，使中间部对汽封弧段产生足够的作用力；通过调整垫片能够根据需要调整汽轮机动静的最小间隙；通过将弹簧片分析计算和有限元分析进行结合，能够全方面和准确设计出满足使用要求的相应的弹簧片结构。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为现有技术中菱形弹簧片、汽封弧段和汽封体的装配结构示意图。
[0037]
图2为现有技术中菱形弹簧片的结构示意图。
[0038]
图3为本发明具体实施方式中的结构示意图。
[0039]
图4为本发明具体实施方式中汽封弧段退让时弹簧片与汽封弧段的装配结构示意图。
[0040]
图5为本发明具体实施方式中的弹簧片的结构示意图一。
[0041]
图6为本发明具体实施方式中的弹簧片力学模型示意图。
[0042]
图7为本发明具体实施方式中的弹簧片设计方法的流程图。
[0043]
图中，1、弹簧片，2、固定端、3、中间部，4、自由端，5、插槽，6、调整垫片，7、防松钢丝，8、紧固螺栓，9、限位板，10、汽封弧段，11、汽封体，12、转子轴，13、菱形弹簧片，14、安装槽。
具体实施方式
[0044]
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
[0045]
如图3至图5所示，本具体实施方式提供了一种汽轮机可调汽封，包括汽封体11和汽封圈，汽封圈为分段式结构，汽封圈包括至少4个汽封弧段10，在本具体实施方式中设置有6个汽封弧段10，汽封体11设置有安装槽14，汽封体11和汽封圈之间设置有弹簧片1，弹簧片1依次包括固定端2、中间部3和自由端4，固定端2、中间部3和自由端4的宽度均相同，固定端2和自由端4均为弧状结构，中间部3为平直状结构，汽封弧段10上设置有插槽5，固定端2插装在插槽5内，固定端2和自由端4均与汽封体11腔体顶部抵接，中间部3能够沿汽封弧段10滑移，安装槽14呈倒凸字型，汽封弧段10上还设置有限位板9，限位板9的两端能够与安装槽14的台阶处抵接，将弹簧片1设置成两端带有弧度和中间平直的等宽结构，相比采用菱形弹簧片13，能够降低弹簧片1的应力集中系数，同时与汽封体11和汽封弧段10的接触均为线接触，使汽封弧段10受力均匀，不会产生偏转，使汽封圈具有良好的退让性、稳定保持最小间隙和良好的密封性；为了使弹簧片1保持一定强度同时能够被汽封弧段10压缩，弹簧片1厚度为h，1.5mm＜h＜2.6mm，弹簧片1采用3cr13材质或gh2136材质，具体可以根据汽轮机工作温度确定，当其工作温度在450℃以下时，使用3cr13，当工作温度450℃～700℃使用gh2136。
[0046]
如图5所示，为了更好的固定本弹簧片1同时在汽封弧段10退让时易发生变形，固定端2的圆心角为c，120
°
＜c＜160
°
，在本具体实施方式中，c为155
°
。
[0047]
如图5所示，为了减少中间部3平移时的阻力，自由端4的圆心角为b，55
°
＜b＜65
°
，在本具体实施方式中，b为60
°
，汽封圈10的阻力作用能够使自由端4容易发生弹性变形，减少对中间部3平移的阻力作用。
[0048]
如图3所示，为了能够根据需要调整汽轮机的最小间隙，限位板9可拆卸地安装在汽封弧段10上，限位板9通过紧固螺栓8安装在汽封弧段10上，紧固螺栓8头部设置有防松钢丝7，防松钢丝7与相邻汽封弧段10上的紧固螺栓8头部串联，限位板9与汽封弧段10之间设置有调整垫片6；当需要减少最小间隙的数值时，增大调整垫片6的厚度即可。
[0049]
该汽轮机可调汽封的工作原理为：
[0050]
当汽封弧段10受到外力向弹簧片1方向移动时，固定端2首先被压缩，使得汽封弧段10具有良好的推向性，由于固定端2被压缩其半径变小，使得中间部3沿汽封弧段10圆周面向斜下方滑移，对汽封弧段10产生一个向下的压力，当外力消失后，汽封弧段10在中间部3的作用下向转子轴12方向移动，同时受到限位板9的限位作用，当限位板9与安装槽14的台阶处抵接时，停止移动，汽封弧段10达到设定的最小间隙位置并在此处保持；当需要减少最小间隙时，增加调整垫片6的厚度即可。
[0051]
如图6和图7所示，本具体实施方式还提供了一种弹簧片的设计方法，用于上设计上述的结构的弹簧片，中间部长度为l，固定端和自由端的圆弧半径为r，弹簧片宽度为x，弹簧片厚度为t，弹簧片安装后沿对应的汽封圈径向方向的变形量为δ，与弹簧片对应的汽封体的安装槽顶部半径为r，汽封圈顶部和安装槽顶部的径向间隙为d，弹簧片计算方法包括以下步骤：
[0052]
s01：计算对应弧段的汽封体重量w；
[0053]
s02：赋予l、r、x和t初始数值和δ的约束数值δ0；
[0054]
s03：计算弹簧片安装后实际的变形量δ1，
[0055][0056]
δ1＝(r-r)*(1-cosα)+t*cosα-d
[0057]
如果δ1＜δ0，则增大l再次进行计算弹簧片安装后实际的变形量，直达δ1≥δ0；
[0058]
s04：计算弹簧常数k，
[0059][0060]
其中，e为弹簧片工作温度下的弹性模量；
[0061]
s05：计算弹簧片的安装应力σ0，
[0062][0063]
如果σ0大于弹簧片的许用应力，则增大t，直到σ0不大于弹簧片的许用应力；
[0064]
s06：计算弹簧片松弛应力σr，
[0065][0066]
如果σr大于弹簧片的许用应力，则增大t，直到σr不大于弹簧片的许用应力；
[0067]
s07：使用三维软件建立同一弧段的弹簧片、汽封体和汽封圈的装配模型，弹簧片的尺寸为s06中最终确定的尺寸；
[0068]
s08：使用有限元软件分析弹簧片的受力和变形情况；
[0069]
s09：如果有限元软件分析结果中存在弹簧片的局部应力大于其屈服强度的情况，则减少r，直到弹簧片的局部应力均小于其屈服强度。
[0070]
其中，在s03至s08中，将弹簧片做为简支梁进行受力分析，在s02中赋值时，弹簧片的宽度x按照与槽宽的设定比例确定，δ0为2.5mm。
[0071]
从以上具体实施方式中可以看出本发明具有以下有益效果：
[0072]
1、通过本可调汽封中弹簧片1限位板9的作用，使汽封圈具有良好的退让性以及稳定保持最小间隙，同时本可调汽封中的弹簧片1与汽封弧段10线接触且接触位置发生在中间部3中部，不会导致汽封弧段10发生偏转，保证了密封效果和较好退让性，同时本弹簧片1应力集中系数相对菱形弹簧片1较低，不易断裂，使用寿命较长；
[0073]
2、通过设置固定端2的圆心角度数能够提高反应的敏捷性和避免弹簧片1脱落；
[0074]
3、通过设置自由端4圆心角度数能够减少对中间部3滑移的阻力，使中间部3对汽封弧段10产生足够的作用力；
[0075]
4、通过调整垫片6能够根据需要调整汽轮机动静的最小间隙；
[0076]
5、通过紧固螺栓8和防松钢丝7能够方便拆装限位板9和调整垫；
[0077]
6、通过将弹簧片1分析计算和有限元分析进行结合，能够全方面和准确设计出满足使用要求的相应的弹簧片结构。
[0078]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”、“内侧”等(如果存在)是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那
些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0079]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。