汽缸試水壓工裝中封板密封槽的最佳化設計論文

汽缸試水壓工裝中封板密封槽的最佳化設計論文

　　摘要：汽輪機工作時，汽缸內部長期處於高溫高壓的環境中，因其工作環境的特殊性，對汽缸毛坯鑄造品質和製造工藝都有極高要求，針對此，對汽缸試水壓工裝中的封板密封槽進行了最佳化設計。文章介紹了汽輪機汽缸試水壓試驗原理，分析了傳統密封槽的優缺點，介紹了此最佳化設計的密封原理，密封圈的選配及主要設計引數的計算。

　　關鍵詞：汽缸試水壓；形密封圈；封板密封槽

　　我廠生產的汽輪機產品為輸出功率3-30MW的衝動級汽輪機。汽缸部套包括高壓前汽缸及後汽缸，汽缸缸體水平中分。汽輪機在電廠投入執行後，汽缸缸體長期處於高溫高壓的工作環境，為保證汽輪機效率及工作人員的安全，須保證缸體不能出現漏氣現象。在加工完畢後總裝前需對汽缸體進行試水壓試驗，檢驗缸體承壓能力，以保證產品滿足出廠要求。試壓試驗使用水作為供壓介質，使用壓力泵給腔室加壓，模擬汽缸各段在工作時的壓力，透過水壓試驗來檢驗汽缸壁承壓能力及汽缸各個加工面的密封性，一般封閉腔室水壓試驗壓力取該段最高工作壓力的1.5倍，較高的實驗水壓對封板的厚度及密封性有極高要求。封板密封槽設計不合理，選配的密封圈搭配不合適，因不當使用導致密封圈在使用期內變型都會影響試驗結果，故對試水壓工裝中的封板密封槽進行了最佳化設計，以達到加強密封效果、延長密封圈使用壽命的目的。設計採用O形橡膠密封圈作為封板的密封材料。其具有結構緊湊、易拆卸、密封性可靠、成本低廉等特點，是最常用的一種靜密封形式，廣泛應用於機械領域。O形密封圈為擠壓型密封，安裝在密封槽內，擠壓面對密封圈施壓，密封圈變形對擠壓面產生回彈壓力，從而達到密封目的`。

　　1密封槽形狀

　　密封槽與密封圈尺寸的匹配直接影響到試水壓封板的密封效能及密封圈的使用壽命。目前，常用的密封槽有矩形、半圓形、V形、三角形及燕尾形等形狀。本最佳化設計密封槽結構如圖1中（a）所示，θ取45°，綜合了矩形密封槽及V形密封槽的優點，結構簡單、加工方便且能夠保證密封圈的壓縮量。

　　2密封槽密封原理

　　封板在裝入汽缸隔板槽後，密封槽處的O形密封圈受到汽缸內壁擠壓，密封圈變形，如圖1中（b）所示。汽缸內壁對其施加壓力Pb0，此時，汽缸內部未施加水壓，O形密封圈透過與汽缸壁的接觸變形起到密封作用。透過壓力泵對密封腔室加壓，O形密封圈受壓力作用向壓力小的一方移動，本設計中45°斜面側為承壓側，密封圈向斜面側移動，變形量增加，如圖1中（c）所示，由於變形量的加大，密封圈彈力加大，因而作用在汽缸壁上的壓力增大至Pb。Pb=Pb0+△Pb式中，Pb為水壓試驗加壓後汽缸壁承受密封圈的總壓力，Pb0為密封圈變形產生的初始壓力，△Pb為因水壓作用而傳遞給密封圈的變形壓力。其中△Pb=kPl，Pl為施加的水壓，k為測壓係數，對於O形密封圈k取0.9~0.985。在試水壓試驗中，須保證封板的密封性，密封槽處不得有水滲漏，故Pb必須大於Pl，而△Pc小於Pl，故密封圈應保證有足夠的初始壓力Pb0。但較大的初始壓力意味著O形密封圈有過大的變形量，會縮短O形密封圈的使用壽命，因此密封槽尺寸引數的選配及密封圈壓縮率、拉伸量的選擇是設計的關鍵。

　　3主要設計引數的計算及選擇

　　3.1密封圈壓縮率

　　εO形密封圈的壓縮率為ε=（d0-H）/d0，d0為O形密封圈自由狀態下的直徑，H為密封槽深度，如圖1（a）所示。壓縮率直接影響到兩者配合後的密封性，為設計中的重要引數，對於靜密封來說，密封面為平面則ε取15%~30%，密封面為曲面則ε取10%~15%。壓縮率取值過小，則封板與汽缸壁間密封效能不好，在試水壓過程中容易導致洩漏；壓縮率取值過大，導致O形密封圈變形過大，會減少密封圈的使用壽命。故在保證密封性的前提下，壓縮率儘量取小值。

　　3.2密封圈拉伸量

　　α值是指由於密封圈內圈直徑小於封板密封槽內徑，當密封圈裝入密封槽後產生的一定的拉伸量，α=（D1-d1）/（D0-d0）。其中，D1為密封槽內徑，d1為裝入密封槽內的密封圈截面直徑，D0為密封圈自由狀態下的內徑。通常α取值範圍為1.02~1.05，在這個範圍內密封圈能夠穩固的裝置在封板上，且安裝方便，α取值過大鉗工安裝不便並且密封圈截面直徑減小，即影響使用壽命又會影響設定的密封圈壓縮量，導致洩漏。

　　3.3密封槽寬度

　　L密封槽寬度L需保證密封圈安裝後留有一定的壓縮變形空間及位移距離。槽寬L不宜太窄，如果O形圈截面填滿了槽的截面，則其摩擦阻力會加大，由於試水壓封板與汽缸隔板槽間存在軸向縫隙，當試水壓時會有位移，會對密封圈造成嚴重磨損。同樣，槽也不宜過寬，槽過寬時O形圈的遊離範圍很大，也容易磨損。本設計中槽寬取O形密封圈截面直徑的1.7倍。

　　3.4密封槽深度

　　H為保證試水壓時，各腔室不滲漏，密封槽深度H加上封板距汽缸內壁間隙小於O形密封圈截面直徑，才能保證封板裝入後密封圈有一定的壓縮率，密封槽深度H由預設的密封圈壓縮率確定。

　　3.5密封槽圓角

　　密封槽內側設計有R1、R2兩個圓角，在試水壓過程中，隨著水泵加壓，密封圈沿著圓角R1移動，故該處圓角半徑取值需大於密封圈半徑，通常取密封圈截面半徑的1.5倍。圓角R2可避免該處產生集中應力，通常取O形密封圈半徑的一半。密封槽邊口初需設計0.2mm導角以防止密封圈在安裝時被銳變刮傷。

　　4使用說明

　　（1）密封槽加工完成後，需去毛刺、清洗、塗潤滑劑後裝入O形密封圈。（2）需定期對密封圈進行檢查，透過觀察O形密封圈是否錯位，是否有凹凸變形，表面是否有裂紋等現象來判斷是否需要更換密封圈。作為汽輪機汽缸工藝的檢測環節，試水壓試驗的效率影響整個產品生產週期，對試水壓工裝密封槽的最佳化設計能夠保證檢測更加順利有效的進行。本文對密封槽進行了最佳化設計，該最佳化設計提高了密封圈的密封效果及使用壽命，降低了材料成本及人工成本，提高了汽機產品整體生產效率。

　　參考文獻

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