汽缸試水壓工裝中封板密封槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)
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摘要：汽輪機(jī)工作時(shí)，汽缸內(nèi)部長(zhǎng)期處于高溫高壓的環(huán)境中，因其工作環(huán)境的特殊性，對(duì)汽缸毛坯鑄造品質(zhì)和制造工藝都有極高要求，針對(duì)此，對(duì)汽缸試水壓工裝中的封板密封槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章介紹了汽輪機(jī)汽缸試水壓試驗(yàn)原理，分析了傳統(tǒng)密封槽的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了此優(yōu)化設(shè)計(jì)的密封原理，密封圈的選配及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。
關(guān)鍵詞：汽缸試水壓；形密封圈；封板密封槽
我廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)產(chǎn)品為輸出功率3-30MW的沖動(dòng)級(jí)汽輪機(jī)。汽缸部套包括高壓前汽缸及后汽缸，汽缸缸體水平中分。汽輪機(jī)在電廠投入運(yùn)行后，汽缸缸體長(zhǎng)期處于高溫高壓的工作環(huán)境，為保證汽輪機(jī)效率及工作人員的安全，須保證缸體不能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。在加工完畢后總裝前需對(duì)汽缸體進(jìn)行試水壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)缸體承壓能力，以保證產(chǎn)品滿足出廠要求。試壓試驗(yàn)使用水作為供壓介質(zhì)，使用壓力泵給腔室加壓，模擬汽缸各段在工作時(shí)的壓力，通過(guò)水壓試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)汽缸壁承壓能力及汽缸各個(gè)加工面的密封性，一般封閉腔室水壓試驗(yàn)壓力取該段最高工作壓力的1.5倍，較高的實(shí)驗(yàn)水壓對(duì)封板的厚度及密封性有極高要求。封板密封槽設(shè)計(jì)不合理，選配的密封圈搭配不合適，因不當(dāng)使用導(dǎo)致密封圈在使用期內(nèi)變型都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，故對(duì)試水壓工裝中的封板密封槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到加強(qiáng)密封效果、延長(zhǎng)密封圈使用壽命的目的。設(shè)計(jì)采用O形橡膠密封圈作為封板的密封材料。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、易拆卸、密封性可靠、成本低廉等特點(diǎn)，是最常用的一種靜密封形式，廣泛應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域。O形密封圈為擠壓型密封，安裝在密封槽內(nèi)，擠壓面對(duì)密封圈施壓，密封圈變形對(duì)擠壓面產(chǎn)生回彈壓力，從而達(dá)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性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。本優(yōu)化設(shè)計(jì)密封槽結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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后，密封槽處的O形密封圈受到汽缸內(nèi)壁擠壓，密封圈變形，如圖1中（b）所示。汽缸內(nèi)壁對(duì)其施加壓力Pb0，此時(shí)，汽缸內(nèi)部未施加水壓，O形密封圈通過(guò)與汽缸壁的接觸變形起到密封作用。通過(guò)壓力泵對(duì)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(dòng)，本設(shè)計(jì)中45°斜面?zhèn)葹槌袎簜?cè)，密封圈向斜面?zhèn)纫苿?dòng)，變形量增加，如圖1中（c）所示，由于變形量的加大，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(yàn)加壓后汽缸壁承受密封圈的總壓力，Pb0為密封圈變形產(chǎn)生的初始?jí)毫?，△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(cè)壓系數(shù)，對(duì)于O形密封圈k取0.9~0.985。在試水壓試驗(yàn)中，須保證封板的密封性，密封槽處不得有水滲漏，故Pb必須大于Pl，而△Pc小于Pl，故密封圈應(yīng)保證有足夠的初始?jí)毫b0。但較大的初始?jí)毫σ馕吨鳲形密封圈有過(guò)大的變形量，會(huì)縮短O(píng)形密封圈的使用壽命，因此密封槽尺寸參數(shù)的選配及密封圈壓縮率、拉伸量的選擇是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
3主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)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(tài)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后的密封性，為設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，對(duì)于靜密封來(lái)說(shuō)，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(guò)小，則封板與汽缸壁間密封性能不好，在試水壓過(guò)程中容易導(dǎo)致泄漏；壓縮率取值過(guò)大，導(dǎo)致O形密封圈變形過(guò)大，會(huì)減少密封圈的使用壽命。故在保證密封性的前提下，壓縮率盡量取小值。
3.2密封圈拉伸量
α值是指由于密封圈內(nèi)圈直徑小于封板密封槽內(nèi)徑，當(dāng)密封圈裝入密封槽后產(chǎn)生的一定的拉伸量，α=（D1-d1）/（D0-d0）。其中，D1為密封槽內(nèi)徑，d1為裝入密封槽內(nèi)的密封圈截面直徑，D0為密封圈自由狀態(tài)下的內(nèi)徑。通常α取值范圍為1.02~1.05，在這個(gè)范圍內(nèi)密封圈能夠穩(wěn)固的裝置在封板上，且安裝方便，α取值過(guò)大鉗工安裝不便并且密封圈截面直徑減小，即影響使用壽命又會(huì)影響設(shè)定的密封圈壓縮量，導(dǎo)致泄漏。
3.3密封槽寬度
L密封槽寬度L需保證密封圈安裝后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(huì)加大，由于試水壓封板與汽缸隔板槽間存在軸向縫隙，當(dāng)試水壓時(shí)會(huì)有位移，會(huì)對(duì)密封圈造成嚴(yán)重磨損。同樣，槽也不宜過(guò)寬，槽過(guò)寬時(shí)O形圈的游離范圍很大，也容易磨損。本設(shè)計(jì)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(shí)，各腔室不滲漏，密封槽深度H加上封板距汽缸內(nèi)壁間隙小于O形密封圈截面直徑，才能保證封板裝入后密封圈有一定的壓縮率，密封槽深度H由預(yù)設(shè)的密封圈壓縮率確定。
3.5密封槽圓角
密封槽內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有R1、R2兩個(gè)圓角，在試水壓過(guò)程中，隨著水泵加壓，密封圈沿著圓角R1移動(dòng)，故該處圓角半徑取值需大于密封圈半徑，通常取密封圈截面半徑的1.5倍。圓角R2可避免該處產(chǎn)生集中應(yīng)力，通常取O形密封圈半徑的一半。密封槽邊口初需設(shè)計(jì)0.2mm導(dǎo)角以防止密封圈在安裝時(shí)被銳變刮傷。
4使用說(shuō)明
（1）密封槽加工完成后，需去毛刺、清洗、涂潤(rùn)滑劑后裝入O形密封圈。（2）需定期對(duì)密封圈進(jìn)行檢查，通過(guò)觀察O形密封圈是否錯(cuò)位，是否有凹凸變形，表面是否有裂紋等現(xiàn)象來(lái)判斷是否需要更換密封圈。作為汽輪機(jī)汽缸工藝的檢測(cè)環(huán)節(jié)，試水壓試驗(yàn)的效率影響整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期，對(duì)試水壓工裝密封槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠保證檢測(cè)更加順利有效的進(jìn)行。本文對(duì)密封槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，該優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)產(chǎn)品整體生產(chǎn)效率。
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作者：梁康源 單位：廣州廣重企業(yè)集團(tuán)有限公司