CN110593969A - 燃气轮机气缸的密封法兰及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃气轮机气缸的密封法兰及其设计方法，包括与气缸的上半缸相连的上法兰、以及与气缸的下半缸相连的下法兰，所述上法兰和下法兰均沿着气缸的径向分为内外两部分，处于内部的内法兰和处于外部的外法兰采用不同的材料，且内法兰所用材料的热膨胀系数大于外法兰所用材料的热膨胀系数；所述外法兰上具有装配螺栓用的螺栓孔。本发明采用不同材料制作内法兰和外法兰，通过内法兰膨胀量大于外法兰膨胀量来减小燃气轮机中分面法兰内侧张口间隙，从而提高燃气轮机中分面法兰密封性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机，特别是涉及一种燃气轮机气缸的密封法兰及其设计方法。
背景技术
燃气轮机气缸作为燃气轮机气体压力保持部件，在工作状态下承受温度载荷以及气体压强载荷。目前燃气轮机气缸一般分为上下半缸，采用中分面法兰加螺栓连接，利用螺栓预紧力产生的法兰接触压力来进行法兰密封，防止气体泄漏造成燃气轮机运行效率下降与运行成本上升以及可能的电厂事故。
随着冷却技术、材料性能、制造工艺的进步，燃气轮机朝着高压比、高运行温度方向设计，这导致气缸中分面法兰更容易发生泄漏，因此对气缸中分面法兰的密封性能提出更苛刻的要求。
通过增加螺栓预紧力、增加螺栓直径、增加螺栓数量的方式可以提高气缸中分面法兰密封性能，但是，考虑到材料性能、部件结构空间以及部件成本，以上方式的密封效果受到限制。
中国发明专利CN102322299B公开阐述一种汽缸中分面密封结构及密封方法，其在汽轮机汽缸中分面上开设凹槽，然后加密封条，利用密封条阻断蒸汽泄漏的路径从而达到密封效果。
中国发明专利CN105298559A公开阐述一种重型燃气轮机水平对开气缸法兰密封结构，所述法兰包括上半缸水平法兰和下半缸水平法兰，通过螺栓一和螺母将上半缸水平法兰和下半缸水平法兰连接在一起，其特征在于，上半缸水平法兰和下半缸水平法兰的内侧及外侧设置梯形辅助安装台，上半缸水平法兰和下半缸水平法兰结合面处设置通孔，所述密封结构还包括外侧卡兰和内侧卡兰，外侧卡兰和内侧卡兰设有与所述梯形辅助安装台配合的梯形槽，外侧卡兰设有光孔，内侧卡兰设有螺纹孔，螺栓二穿入所述光孔和所述通孔拧入所述螺纹孔将外侧卡兰和内侧卡兰夹紧并使上半缸水平法兰和下半缸水平法兰紧密贴合。
中国发明专利CN103670543B公开阐述一种采用新型中分面结构的汽轮机汽缸，两个半缸体相接触的中分面采用楔形或弧面楔形的不平行结构。通过采用初始状态间隙为楔形或者圆弧楔形的不平行中分面，优化汽缸中分面接触压力分布，达到改善密封和降低螺栓或红套环载荷的效果。
可见，目前的方式在于采用额外增加密封条、密封卡兰，或改变中分面法兰结构的方式来改善气缸法兰密封性。这将增加结构的复杂性，和提高部件成本。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃气轮机气缸的密封法兰及其设计方法，用于解决现有技术中密封法兰所增加的密封结构复杂的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种燃气轮机气缸的密封法兰，包括与气缸的上半缸相连的上法兰、以及与气缸的下半缸相连的下法兰，所述上法兰和下法兰均沿着气缸的径向分为内外两部分，处于内部的内法兰和处于外部的外法兰采用不同的材料，且内法兰所用材料的热膨胀系数大于外法兰所用材料的热膨胀系数；所述外法兰上具有装配螺栓用的螺栓孔。
优选的，所述内法兰所用材料的热膨胀系数比外法兰所用材料的热膨胀系数大5％—10％。
优选的，所述内法兰与所述外法兰焊接固定。
优选的，所述气缸的上半缸与所述上法兰的内法兰焊接相连，所述气缸的下半缸与所述下法兰的内法兰焊接相连。
优选的，所述内法兰与所述外法兰为加工成型的整体件。
本发明提供一种燃气轮机气缸的密封法兰的设计方法，其包括以下步骤：
1)准备燃气轮机气缸法兰几何模型，以及获取材料参数、计算所需的温度载荷与压强载荷及螺栓预紧载荷参数；
2)通过有限元软件建模及法兰的密封分析，从计算仿真角度确定法兰的密封薄弱区域、间隙数值，以及对应处的温度与压强数据；
3)结合现场燃气轮机运行数据及开缸检修结果反馈，修正所述步骤2)中的计算分析方法及数据；
4)进行密封法兰结构设计，沿着气缸的径向将法兰分为内外两部分，处于内部的内法兰和处于外部的外法兰；并增强作为内法兰所用材料的热膨胀系数，使内法兰所用材料的热膨胀系数大于外法兰所用材料的热膨胀系数；
5)开展所述密封法兰的结构完整性计算校核工作，开展应力分析、疲劳寿命分析、密封分析，确保所述密封法兰在燃气轮机运行期限内不会发生强度问题和密封问题：如果发生，则至步骤4)重新选择内法兰所用材料，如果不发生，则进入步骤6)；
6)开展所述密封法兰的工程制图及制造装配工作；
7)完成所述密封法兰的设计。
优选的，所述步骤4)中，所述内法兰所用材料的热膨胀系数增强时，从比所述外法兰所用材料的热膨胀系数高5.0％，逐步增强至比所述外法兰所用材料的热膨胀系数高10.0％；在逐步增强的过程中同时进行步骤5)。
如上所述，本发明的燃气轮机气缸的密封法兰及其设计方法，具有以下有益效果：采用不同材料制作内法兰和外法兰，通过内法兰膨胀量大于外法兰膨胀量来减小燃气轮机中分面法兰内侧张口间隙，从而提高燃气轮机中分面法兰密封性能；相比较目前已有的采用额外增加密封条或密封卡兰，或改变中分面法兰结构的方式，本发明1)简化部件结构；2)在不改变传统法兰结合面是水平面这个易于加工的结构特征前提下，达到加强法兰密封效果的功能。
附图说明
图1显示为本发明的燃气轮机气缸的密封法兰示意图。
图2显示为本发明燃气轮机气缸的密封法兰的设计方法流程图。
元件标号说明
1 上半缸
2、5 内法兰
3、4 外法兰
6 下半缸
7、10 螺母
8 螺栓
9 垫圈
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种燃气轮机气缸的密封法兰，包括与气缸的上半缸1相连的上法兰、以及与气缸的下半缸6相连的下法兰，所述上法兰和下法兰均沿着气缸的径向分为内外两部分，处于内部的内法兰2、5和处于外部的外法兰3、4采用不同的材料，上法兰包括内法兰2和外法兰3，下法兰包括内法兰5和外法兰4，且内法兰2、5所用材料的热膨胀系数大于外法兰3、4所用材料的热膨胀系数，内法兰靠近燃气轮机主气流通道；所述外法兰3、4上具有装配螺栓8用的螺栓孔。本发明将法兰沿径向分为内外两部分，采用不同热膨胀系数的材料来加工成内法兰和外法兰，以此来减小燃气轮机中分面法兰内侧张口间隙，从而提高燃气轮机中分面法兰密封性能，其结构简单易于实现。
为实现密封法兰的良好密封性，本实施例中内法兰2、5所用材料的热膨胀系数比外法兰3、4所用材料的热膨胀系数大5％—10％。
为便于加工，本实施例中上法兰和下法兰相结合的面为水平面。上述螺栓8装配在上法兰和下法兰的螺栓孔内，螺栓8上还设有垫圈9，两端均固定螺母7、10，以此将上、下气缸相连固定。
本实施例中内法兰2、5与所述外法兰3、4焊接固定，气缸的上半缸1与所述上法兰的内法兰2焊接相连，所述气缸的下半缸6与所述下法兰的内法兰5焊接相连。
内法兰2、5与所述外法兰3、4也可通过制造工艺一体成型，形成一整体件，无需后续的焊接工艺。
本发明还提供一种生产上述燃气轮机气缸的密封法兰的设计方法，如图2所示，其包括以下步骤：
1)气缸法兰模型及各参数准备：准备燃气轮机气缸法兰几何模型，以及获取材料参数、计算所需的温度载荷与压强载荷及螺栓预紧载荷参数，几何模型和各参数作为后续有限元软件进行计算分析时的输入参数；
2)有限元计算分析：通过有限元软件建模及法兰的密封分析，从计算仿真角度确定法兰的密封薄弱区域、间隙数值，以及对应处的温度与压强数据；
3)现场运行数据反馈修正：结合现场燃气轮机运行数据及开缸检修结果反馈，修正所述步骤2)中的计算分析方法及数据；
4)设计密封法兰结构及选择密封法兰材料：结合步骤2)的计算分析与步骤3)的燃气轮机现场数据，进行密封法兰结构设计，沿着气缸的径向将法兰分为内外两部分，处于内部的内法兰和处于外部的外法兰；并根据温度、压强数据选择合适的内法兰材料，即增强作为内法兰所用材料的热膨胀系数，使内法兰所用材料的热膨胀系数大于外法兰所用材料的热膨胀系数；
5)开展所述密封法兰的结构完整性计算校核工作，开展应力分析、疲劳寿命分析、密封分析，确保所述密封法兰在燃气轮机运行期限内不会发生强度问题和密封问题：如果发生，则至步骤4)重新选择内法兰所用材料，如果不发生，则进入步骤6)；
6)开展所述密封法兰的工程制图及制造装配工作；
7)完成所述密封法兰的设计。
优选的，所述步骤4)中，所述内法兰所用材料的热膨胀系数增强时，从比所述外法兰所用材料的热膨胀系数高5.0％，逐步增强至比所述外法兰所用材料的热膨胀系数高10.0％；在逐步增强的过程中同时进行步骤5)。
作为密封法兰的一具体实施例：
外法兰所用材料的线膨胀系数为1.2e-5/K，当内法兰所用材料的线膨胀系数为1.2e-5/K时，运行工况中，上、下法兰之间最大张口间隙位于内法兰的内壁面处，间隙0.34mm。
通过结合上述步骤2)有限元软件计算分析与步骤3)现场数据反馈，进行步骤4)密封内法兰材料选择，并开展计算分析考核，即步骤5)。当内法兰所用材料的线膨胀系数提高5.0％为1.26e-5/K时，运行工况中，上下法兰之间最大张口间隙位于内法兰内壁面处，间隙0.29mm，该间隙比原先减小14.7％，密封性得到加强；当内法兰所用材料的线膨胀系数提高10.0％为1.32e-5/K时，运行工况中，上下法兰之间最大张口间隙位于内法兰内壁面处，间隙0.23mm，该间隙比原先减小32.4％，密封性得到加强。同时，其应力、疲劳寿命分析均通过考核。
之后，开展密封法兰的工程制图、部件加工装配工作，完成密封法兰设计。
综上所述，本发明的燃气轮机气缸的密封法兰及其设计方法，采用不同材料制作内法兰和外法兰，通过内法兰膨胀量大于外法兰膨胀量来减小燃气轮机中分面法兰内侧张口间隙，从而提高燃气轮机中分面法兰密封性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种燃气轮机气缸的密封法兰，包括与气缸的上半缸相连的上法兰、以及与气缸的下半缸相连的下法兰，其特征在于，所述上法兰和下法兰均沿着气缸的径向分为内外两部分，处于内部的内法兰和处于外部的外法兰采用不同的材料，且内法兰所用材料的热膨胀系数大于外法兰所用材料的热膨胀系数；所述外法兰上具有装配螺栓用的螺栓孔。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机气缸的密封法兰，其特征在于：所述内法兰所用材料的热膨胀系数比外法兰所用材料的热膨胀系数大5％—10％。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机气缸的密封法兰，其特征在于：所述内法兰与所述外法兰焊接固定。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机气缸的密封法兰，其特征在于：所述气缸的上半缸与所述上法兰的内法兰焊接相连，所述气缸的下半缸与所述下法兰的内法兰焊接相连。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机气缸的密封法兰，其特征在于：所述内法兰与所述外法兰为加工成型的整体件。
6.一种燃气轮机气缸的密封法兰的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备燃气轮机气缸法兰几何模型，以及获取材料参数、计算所需的温度载荷与压强载荷及螺栓预紧载荷参数；
2)通过有限元软件建模及法兰的密封分析，从计算仿真角度确定法兰的密封薄弱区域、间隙数值，以及对应处的温度与压强数据；
3)结合现场燃气轮机运行数据及开缸检修结果反馈，修正所述步骤2)中的计算分析方法及数据；
4)进行密封法兰结构设计，沿着气缸的径向将法兰分为内外两部分，处于内部的内法兰和处于外部的外法兰；并增强作为内法兰所用材料的热膨胀系数，使内法兰所用材料的热膨胀系数大于外法兰所用材料的热膨胀系数；
5)开展所述密封法兰的结构完整性计算校核工作，开展应力分析、疲劳寿命分析、密封分析，确保所述密封法兰在燃气轮机运行期限内不会发生强度问题和密封问题：如果发生，则至步骤4)重新选择内法兰所用材料，如果不发生，则进入步骤6)；
6)开展所述密封法兰的工程制图及制造装配工作；
7)完成所述密封法兰的设计。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机气缸的密封法兰的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述内法兰所用材料的热膨胀系数增强时，从比所述外法兰所用材料的热膨胀系数高5.0％，逐步增强至比所述外法兰所用材料的热膨胀系数高10.0％；在逐步增强的过程中同时进行步骤5)。
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