Типовые конструкции и основные материалы

В паровых турбинах применяются несколько видов уплотнений: концевые, диафрагменные, уплотнения рабочей решетки, маслоотбойные уплотнения [7, 10, 11, 15, 55...61].

Концевые уплотнения устанавливаются в местах выхода концов ротора из корпуса цилиндра и служат для предотвращения протечек пара из цилиндров и для устранения подсоса воздуха во внутренние полости цилиндров (если давление в них меньше барометрического).

Диафрагменные уплотнения служат для уменьшения перетекания пара с одной стороны диафрагмы на другую в местах прохода вала.

Уплотнения рабочей решетки, включающие в себя надбандажные и осевые уплотнения, предназначены для уменьшения потерь от утечек пара в ступени.

Маслоотбойные уплотнения установлены в корпусах подшипников и служат для предотвращения протечек масла из подшипника вдоль вала.

В паровых турбинах исторически применялись концевые уплотнения трех типов: металлические, гидравлические и графитно-угольные. В современных турбинах большой единичной мощности применяются только металлические лабиринтовые уплотнения.

Гидравлическое уплотнение, показанное на рис. 5.1, представляет собой гидравлический затвор, препятствующий проникновению воздуха в цилиндр или протечкам пара из цилиндра. Уплотнение состоит из лопастного колеса, закрепленного на валу и вращающегося в кожухе. С каждой стороны кожуха расположено по несколько уплотнительных колец. При работе турбины в кожух подводится вода под давлением. Вращающееся лопастное колесо увлекает за собой воду, отбрасывает ее к периферии и образует водяное кольцо, которое предохраняет от попадания воздуха в турбину или от протечки пара из нее.

Водяное уплотнение начинает действовать только при частоте вращения ротора выше 1000 об/мин. При неподвижном роторе и во время прогрева турбины на малых частотах вращения к водяному уплотнению необходимо подводить пар. Недостатком гидравлических уплотнений являются также значительные потери мощности.

Угольные уплотнения применялись в турбинах при небольшой разнице давлений по обе стороны уплотнения (до 0,5 МПа) и при невысокой окружной скорости вала (до 30...50 м/сек).

Конструкция угольных уплотнений представлена на рис. 5.2. На вал насажена чугунная или стальная втулка, на которой расположены шесть угольных колец (в различных конструкциях число колец от 3 до 8), разрезанных каждое на три—четыре сегмента. Сегменты стянуты спиральной пружиной 2 и поддерживаются плоскими пружинками 6, предотвращающими передачу веса колец на вал. Угольные кольца вставлены в "г-образные" чугунные или стальные обоймы 3. Угольные кольца удерживаются от вращения стопорными пластинками 5, входящими в стык сегментов. Между валом и кольцами должен быть зазор, величина которого зависит от диаметра вала, температуры пара и места установки кольца. При температурах пара не выше 350 °С принято устанавливать величину зазора равную 0,02 мм на каждые 10 мм диаметра вала для первого снаружи кольца и 0,03 мм на каждые 10 мм диаметра вала для последнего кольца, работающего в самой горячей зоне; зазоры промежуточных колец возрастают в этих пределах.

В некоторых конструкциях зарубежных фирм применяются концевые уплотнения и уплотнения диафрагм (рис. 5.3), в которых лабиринтовые гребни (усики) втулок, насаженных на вал, работают против угольных вкладышей, установленных в корпусе турбины. При сборке установка уплотнения производится без зазоров между гребнями и угольными вкладышами; в процессе работы гребни протачивают во вкладышах небольшие канавки, в которых и происходит дросселирование пара.

Лабиринтовые уплотнения являются наиболее распространенным типом уплотнений, в котором происходит многократное изменение направления потока пара и расширение в камерах уплотнения после прохода через узкие щели, что сопровождается потерей давления и уменьшением утечки. Конструктивно лабиринтовые уплотнения представляют собой (рис. 5.4,а) ряд сужений — зазоров между усиками и ротором, чередующихся с относительно широкими камерами между усиками, в которых энергия скорости, приобретенная в сужениях, переходит в тепловую энергию. Канавки на роторе (рис. 5.4,б), в которые входят чередующиеся с короткими длинные усики, создают ломаную траекторию струи, поворот ее в каждой камере способствует гашению скорости и, следовательно, уменьшению расхода утечки вдоль уплотнения. Такая конструкция лабиринтового уплотнения требует более тщательного определения осевого положения колец уплотнений относительно ротора и приводит к увеличению его линейных размеров.

В турбинах применяются различные конструкции лабиринтов, имеющие целью сокращение длины уплотнения или размещение большого числа гребешков на данной длине. На рис. 5.5 в качестве примера представлены конструкции лабиринтов, применяемые различными заводами-изготовителями турбин.

Рис. 5.2. Угольное уплотнение:

1 — кольцо угольное; 2 — пружина; 3 — обойма; 4 — кольцо с отверстиями; 5 — стопорная пластинка; 6 — пружина для поддержки колец; 7 — втулка

_________________________________________________________________________________________________________________________________

Концевые уплотнения и уплотнения диафрагм у большинства турбин отечественного производства имеют уплотняющие гребни на неподвижной части уплотнений, а на соответствующих им местах вала ротора — канавки. Исключение составляют только ЦВД и ЦСД турбин К-300-240 ЛМЗ, К-800-240 ЛМЗ и турбины КТЗ, у которых гребни концевых уплотнений завальцованы на валу ротора, а на неподвижной части выполнены соответствующие им канавки.

Конструкцию концевых уплотнений рассмотрим на примере уплотнений турбин ТМЗ, показанных на рис. 5.6. Уплотнение образовано усиками, расположенными на статоре, а также выступами и впадинами прямоугольного сечения, выполненными на роторе. Усики на статоре располагают в уплотнительных кольцах, составленных из четырех или шести сегментов, заведенных в пазы обоймы 2. "т-образные" хвостовики сегментов прижимаются к опорной поверхности "т-образных" пазов расточки обоймы с помощью плоских пружин 6, а также под давлением пара, поступающим в полость расточки паза через специальные отверстия или фрезерованные канавки со стороны высокого давления уплотнительного кольца. В осевом направлении уплотнительное кольцо прижимается за счет перепада давления пара к торцевой поверхности паза, в результате этого перетечки пара через паз практически исключаются.

Несколько уплотнительных колец, установленных в обойме, образуют отсек уплотнения. Между отсеками располагаются камеры для отвода или подвода пара. В зависимости от давления перед концевым уплотнением число камер в них составляет от 2 до 5.

Для безопасной работы турбины толщина гребней уплотнений в зоне возможного контакта с ротором должна быть 0,2...0,3 мм. Уплотняющие гребни могут изготавливаться заодно с телом сегментов уплотнений или выполняться наборными и зачеканиваться в пазы сегментов (рис. 5.7). Ширина паза, в который устанавливается уплотняющий гребень, обычно составляет не менее 1 мм (технологически невозможно проточить паз в теле сегмента уплотнений меньшей ширины).

Обоймы концевых уплотнений предназначены для установки в них уплотнительных колец и образования кольцевых камер, из которых отводится прошедший у вала пар (или подводится). По своей конструкции, способу центровки в корпусах цилиндров и по характеру воспринимаемых нагрузок обоймы уплотнений аналогичны обоймам диафрагм, описанным в разделе 4.

Вал турбины

Рис. 5.3. Лабиринтовые уплотнения с угольными втулками Рис. 5.4. Схема работы лабиринтового уплотнения

Рис. 5.6. Уплотнение конструкции ТМЗ:

1 — кольцо уплотнительное из четырех сегментов; 2 — обойма уплотнений из двух половин;

3 — шпонка радиальная; 4 — пластина стопорная; 5 — винт опорный; 6 — плоская пружина

Рис. 5.7. Конструкции наборных гребней уплотнений:

а, г — установка тонких уплотняющих гребней с промежуточным телом; б — заготовка уплотняющего гребня;

в, д, е — установка уплотняющего гребня, выполненного по ширине паза

У ряда турбин температура паровоздушной смеси в крайних камерах уплотнений значительно отличается от температуры в соседних камерах. Например, в турбине К-300-240 ХТЗ температура паровоздушной смеси в крайних камерах уплотнений (90 °С) и подводимого в предпоследнюю камеру "холодного" пара (160 °С) на номинальном режиме работы турбины намного ниже, чем в соседних камерах отбора ЦВД (t = 245 °С на стороне выхлопа и t = 305 °С на стороне паровпуска) и ЦСД (t = 438 °С). Выполнение этих камер в корпусах цилиндров привело бы к значительным термическим напряжениям в этих зонах и неизбежным деформациям корпусов с раскрытием разъема у роторов. В связи с этим последние (одна или несколько) камеры часто выделяют в отдельные корпуса уплотнений, присоединяемые к торцам корпусов цилиндров. Такие корпуса концевых уплотнений устанавливаются на вертикальные разъемы цилиндров с помощью фланцев и замыкают паровое пространство цилиндров. На рис. 5.8 представлен сварно-литой корпус концевого уплотнения ЦСД турбины К-500-240 ХТЗ, состоящий из двух частей — верхней и нижней, стягиваемых по горизонтальному разъему болтами. В каждой из частей имеются приливы двух симметрично расположенных патрубков, к которым привариваются трубы подвода уплотняющего пара и отсоса паровоздушной смеси.

В большинстве турбин уплотнительная часть передних и задних лабиринтовых уплотнений отличается количеством и шагом уплотнительных усиков. На рис. 5.9 в качестве примера приведены конструкции концевых уплотнений ЦВД, ЦСД и ЦНД турбины К-500-240 ХТЗ.

Выбор марки материала, применяемого для изготовления элементов уплотнений, определяется температурой и давлением рабочей среды [7, 15, 55, 61].

Материалом для уплотнительных гребней лабиринтовых уплотнений, работающих при температуре до 250 °С, служит латунь марки Л68М; при температурах до 400 °С — нейзильбер марки МНЦ15-20; при температурах до 500 °С — монель-металл марки НМЖМц28-2,5-1,5; при температурах до 600 °С — сталь марок Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. При выборе материалов необходимо обратить внимание на их твердость, поэтому целесообразно применять сталь марки 08X18Н9Т — с твердостью не более 110 НВ и латунь марки Л68М — мягкую, а не Л68.

Рис. 5.8. Сварно-литой корпус концевого уплотнения турбины К-500-240 ХТЗ:

1,2 — верхняя и нижняя части корпуса; 3 — стержень-стяжка; 4 — труба; 5 — болт; 6,7 — профильные кольца; 8 — камера подвода уплотняющего пара; 9 — камера отсоса паровоздушной смеси; 10 — присоединительный плоский фланец; 11 — кольцевая щель

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Плоские пружины уплотнений для температур до 400 °С изготавливаются из стали 40X13, а для температур до 600 °С — из стали ЭИ-612 (Х15Н35БЗТ).

Обоймы уплотнений изготавливаются из стальных поковок или чугунного литья. Обоймы современных турбин, работающие в зоне высоких температур, обычно изготавливаются из стали марок 15Х1М1Ф-Л, 20ХМФ-Л, а обоймы, работающие в зоне средних температур, — из стали 25Л.

Корпуса концевых уплотнений выполняются литыми из стали марок 15Х1М1Ф-Л, 20ХМФ-Л, 20Л для цилиндров высокого и среднего давления и сварными из Ст. 20 для выхлопных частей ЦСД и ЦНД.

В качестве материала для шпилек и гаек обойм, работающих в зоне высоких температур, применяется сталь марки ЭП-182 (20Х1М1Ф1ТР), а работающих в условиях средних температур — сталь марки ЭИ-10 (25Х1МФА). Специальные установочные шпонки и мелкий крепеж изготавливаются из стали марки 1Х12ВНМФ.

Конструкция диафрагменных уплотнений аналогична конструкции концевых уплотнений. Уплотнение обычно состоит из одного или нескольких составных колец, которые вставлены в фасонные канавки, проточенные по внутреннему диаметру диафрагмы. Кольца снабжены уплотнительными гребешками различных типов. Кольца с гребешками составлены из нескольких сегментов и прижимаются к опорным выступам пазов расточки диафрагмы при помощи пружин, как показано на рис. 5.10. В плоскости разъема турбины кольца предохраняются от проворачивания стопорной пластинкой.

На рис. 5.11 показаны примеры конструкций надбандажных уплотнений турбин ЛМЗ¹. Уплотнение, показанное на рис. 5.11,а, применяется для ЦВД и ЦСД. В обойме 1 выполнены кольцевые проточки типа "ласточкина хвоста", в которые заведены вставки 2 из мягкого армкожелеза, а на бандажной ленте выточены гребешки 3. Для ступеней с длинными лопатками используют уплотнение (рис. 5.11,6) с уплотняющими гребешками, которые вставлены в кольцевые выточки на козырьке 4 диафрагмы. Виброустойчивое уплотнение, показанное на рис. 5.11,6, предназначено для исключения аэродинамических самовозбуждающихся сил, вызывающих низкочастотную вибрацию валопровода.

ТМЗ использует в ряде своих турбин осерадиальные надбандажные уплотнения, также предназначенные для устранения аэродинамических сил, вызывающих низкочастотную вибрацию.

Применение этого типа уплотнений повышает экономичность проточной части из-за уменьшения их повреждаемости в процессе эксплуатации в результате увеличения зазоров. На рис. 5.12 в качестве примера показаны конструкция и основные размеры осерадиальных уплотнений для части высокого давления турбины Т-250/300-240.

Аналогичные конструкции виброустойчивых (осерадиальных) уплотнений применяет в своих новых серийных турбинах ХТЗ, а ЦКБ "Энергопрогресс" разработал проекты реконструкции турбин большой мощности с целью повышения устойчивости к низкочастотной вибрации роторов высокого и среднего давления путем применения осерадиальных уплотнений.

_________________

¹ С момента создания турбины конструкция надбандажных уплотнений претерпела несколько реконструкций с целью повышения их надежности и экономичности: металлокерамические вставки были заменены на вставки из мягкого армкожелеза, трапециедальная их форма менялась на корытообразную, в трапециедаль-ные вставки врезались дополнительные усы (модификация корытообразных вставок). Реконструкции подвергались также надбандажные уплотнения большинства типов турбин ЛМЗ, ХТЗ, ТМЗ. В настоящее время все заводы применяют в новых конструкциях своих турбин и предлагают для реконструкции турбин, находящихся в эксплуатации, примерно одинаковые по конструкции виброустойчивые надбандажные уплотнения.

Рис. 5.9. Конструкции концевых уплотнений ЦВД, ЦСД и ЦНД турбины К-500-240 ХТЗ:

а — переднее концевое уплотнение ЦВД; б — заднее концевое уплотнение ЦВД (сторона паровпуска); в — переднее концевое уплотнение ЦСД; г — заднее концевое уплотнение ЦСД; д — концевое уплотнение ЦНД; / — корпус переднего концевого уплотнения ЦВД; 2 — обойма № 2 переднего концевого уплотнения ЦВД; 3 — внешний корпус ЦВД; 4 — обойма № 1 переднего концевого уплотнения ЦВД; 5 — обойма № 1 заднего концевого уплотнения ЦВД; 6 — внутренний корпус ЦВД; 7 — обойма № 2 заднего концевого уплотнения ЦВД; 8, 9,10 — обоймы № 3, 4, 5 заднего концевого уплотнения ЦВД; 11 — корпус заднего концевого уплотнения ЦВД (сторона генератора); 12 — кольцо уплотнений из четырех сегментов; 13 — корпус переднего концевого уплотнения ЦСД; 14 — внешний корпус ЦСД; 15 — обойма № 3 переднего концевого уплотнения ЦСД; 16 — обойма № 2 переднего концевого уплотнения ЦСД; 17 — внутренний корпус ЦСД; /8 — обойма № 1 переднего концевого уплотнения ЦСД; 19, 20 — обоймы №1,2 заднего концевого уплотнения ЦСД; 21 — корпус заднего концевого уплотнения ЦСД; 22 — корпус концевого уплотнения ЦНД; 23 — корпус ЦНД

Рис. 5.10. Способы крепления колец уплотнений в расточке обоймы

Рис. 5.11. Конструкции надбандажных уплотнений турбин ЛМЗ:

а — надбандажное уплотнение ЦВД и ЦСД с металлокерамическими вставками; б — надбандажное уплотнение с усиками уплотнений, за-чеканенными в козырек диафрагмы; в — виброустойчивое надбандажное уплотнение ЦВД и ЦСД; 1 — обойма; 2 — вставка; 3 — бандаж; 4 — козырек диафрагмы

Рис. 5.12. Конструкция осерадиальных уплотнений для части высокого давления

турбины Т-250/300-240 ТМЗ: а — установка усов уплотнения в сегменты вставки; б — установка усов уплотнения в козырек диафрагмы

_______________________________________________

Дата добавления: 2015-08-18