汽缸试水压工装中封板密封槽的优化设计

摘要：汽轮机工作时，汽缸内部长期处于高温高压的环境中，因其工作环境的特殊性，对汽缸毛坯铸造品质和制造工艺都有极高要求，针对此，对汽缸试水压工装中的封板密封槽进行了优化设计。文章介绍了汽轮机汽缸试水压试验原理，分析了传统密封槽的优缺点，介绍了此优化设计的密封原理，密封圈的选配及主要设计参数的计算。

关键词：汽缸试水压；形密封圈；封板密封槽

我厂生产的汽轮机产品为输出功率3-30MW的冲动级汽轮机。汽缸部套包括高压前汽缸及后汽缸，汽缸缸体水平中分。汽轮机在电厂投入运行后，汽缸缸体长期处于高温高压的工作环境，为保证汽轮机效率及工作人员的安全，须保证缸体不能出现漏气现象。在加工完毕后总装前需对汽缸体进行试水压试验，检验缸体承压能力，以保证产品满足出厂要求。试压试验使用水作为供压介质，使用压力泵给腔室加压，模拟汽缸各段在工作时的压力，通过水压试验来检验汽缸壁承压能力及汽缸各个加工面的密封性，一般封闭腔室水压试验压力取该段最高工作压力的1.5倍，较高的实验水压对封板的厚度及密封性有极高要求。封板密封槽设计不合理，选配的密封圈搭配不合适，因不当使用导致密封圈在使用期内变型都会影响试验结果，故对试水压工装中的封板密封槽进行了优化设计，以达到加强密封效果、延长密封圈使用寿命的目的。设计采用O形橡胶密封圈作为封板的密封材料。其具有结构紧凑、易拆卸、密封性可靠、成本低廉等特点，是最常用的一种静密封形式，广泛应用于机械领域。O形密封圈为挤压型密封，安装在密封槽内，挤压面对密封圈施压，密封圈变形对挤压面产生回弹压力，从而达到密封目的。

1密封槽形状

密封槽与密封圈尺寸的匹配直接影响到试水压封板的密封性能及密封圈的使用寿命。目前，常用的密封槽有矩形、半圆形、V形、三角形及燕尾形等形状。本优化设计密封槽结构如图1中（a）所示，θ取45°，综合了矩形密封槽及V形密封槽的优点，结构简单、加工方便且能够保证密封圈的压缩量。

2密封槽密封原理

封板在装入汽缸隔板槽后，密封槽处的O形密封圈受到汽缸内壁挤压，密封圈变形，如图1中（b）所示。汽缸内壁对其施加压力Pb0，此时，汽缸内部未施加水压，O形密封圈通过与汽缸壁的接触变形起到密封作用。通过压力泵对密封腔室加压，O形密封圈受压力作用向压力小的一方移动，本设计中45°斜面侧为承压侧，密封圈向斜面侧移动，变形量增加，如图1中（c）所示，由于变形量的加大，密封圈弹力加大，因而作用在汽缸壁上的压力增大至Pb。Pb=Pb0+△Pb式中，Pb为水压试验加压后汽缸壁承受密封圈的总压力，Pb0为密封圈变形产生的初始压力，△Pb为因水压作用而传递给密封圈的变形压力。其中△Pb=kPl，Pl为施加的水压，k为测压系数，对于O形密封圈k取0.9~0.985。在试水压试验中，须保证封板的密封性，密封槽处不得有水渗漏，故Pb必须大于Pl，而△Pc小于Pl，故密封圈应保证有足够的初始压力Pb0。但较大的初始压力意味着O形密封圈有过大的变形量，会缩短O形密封圈的使用寿命，因此密封槽尺寸参数的选配及密封圈压缩率、拉伸量的选择是设计的关键。

3主要设计参数的计算及选择

3.1密封圈压缩率

εO形密封圈的压缩率为ε=（d0-H）/d0，d0为O形密封圈自由状态下的直径，H为密封槽深度，如图1（a）所示。压缩率直接影响到两者配合后的密封性，为设计中的重要参数，对于静密封来说，密封面为平面则ε取15%~30%，密封面为曲面则ε取10%~15%。压缩率取值过小，则封板与汽缸壁间密封性能不好，在试水压过程中容易导致泄漏；压缩率取值过大，导致O形密封圈变形过大，会减少密封圈的使用寿命。故在保证密封性的前提下，压缩率尽量取小值。

3.2密封圈拉伸量

α值是指由于密封圈内圈直径小于封板密封槽内径，当密封圈装入密封槽后产生的一定的拉伸量，α=（D1-d1）/（D0-d0）。其中，D1为密封槽内径，d1为装入密封槽内的密封圈截面直径，D0为密封圈自由状态下的内径。通常α取值范围为1.02~1.05，在这个范围内密封圈能够稳固的装置在封板上，且安装方便，α取值过大钳工安装不便并且密封圈截面直径减小，即影响使用寿命又会影响设定的密封圈压缩量，导致泄漏。

3.3密封槽宽度

L密封槽宽度L需保证密封圈安装后留有一定的压缩变形空间及位移距离。槽宽L不宜太窄，如果O形圈截面填满了槽的截面，则其摩擦阻力会加大，由于试水压封板与汽缸隔板槽间存在轴向缝隙，当试水压时会有位移，会对密封圈造成严重磨损。同样，槽也不宜过宽，槽过宽时O形圈的游离范围很大，也容易磨损。本设计中槽宽取O形密封圈截面直径的1.7倍。

3.4密封槽深度

H为保证试水压时，各腔室不渗漏，密封槽深度H加上封板距汽缸内壁间隙小于O形密封圈截面直径，才能保证封板装入后密封圈有一定的压缩率，密封槽深度H由预设的密封圈压缩率确定。

3.5密封槽圆角

密封槽内侧设计有R1、R2两个圆角，在试水压过程中，随着水泵加压，密封圈沿着圆角R1移动，故该处圆角半径取值需大于密封圈半径，通常取密封圈截面半径的1.5倍。圆角R2可避免该处产生集中应力，通常取O形密封圈半径的一半。密封槽边口初需设计0.2mm导角以防止密封圈在安装时被锐变刮伤。

4使用说明

（1）密封槽加工完成后，需去毛刺、清洗、涂润滑剂后装入O形密封圈。（2）需定期对密封圈进行检查，通过观察O形密封圈是否错位，是否有凹凸变形，表面是否有裂纹等现象来判断是否需要更换密封圈。作为汽轮机汽缸工艺的检测环节，试水压试验的效率影响整个产品生产周期，对试水压工装密封槽的优化设计能够保证检测更加顺利有效的进行。本文对密封槽进行了优化设计，该优化设计提高了密封圈的密封效果及使用寿命，降低了材料成本及人工成本，提高了汽机产品整体生产效率。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册（第1卷）第4版[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]毛俐丽，黄炉平.O型密封圈和密封槽的选配与应用[J].水雷与舰船防护，2012（1）：69-71+75.

作者：梁康源 单位：广州广重企业集团有限公司