Повышение надежности и экономичности паровых турбин с использованием сотовых уплотнений

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.156:621.35.004.69

Повышение надежности и экономичности паровых турбин с использованием сотовых уплотнений

В.Т. Буглаев

А.Л. Карташов

В.Т. Перевезенцев

Предлагается модернизация проточной части паровых турбин путем применения сотовых уплотнений с оптимальными соотношениями размеров ячеек. Рассматривается способ ремонта уплотнений по валу турбины, в частности концевых уплотнений турбин для атомных электрических станций.

Сотовые уплотнения применяются начиная с 60-х гг. в газотурбинных двигателях и газотурбинных установках различного назначения. В паровых турбинах сотовые уплотнения активно внедряются в проточные части с середины 90-х гг. на предприятиях: АО «Башкирэнерго», фирма «ОРГРЭС», АО «Мосэнерго» и др.[1].

Оригинальные свойства указанных уплотнений позволяют получить экономический эффект от внедрения в проточную часть за счет увеличения КПД (только в цилиндре высокого давления до 1,5%) при увеличении мощности паровой турбины. Срок окупаемости в зависимости от объема оснащения турбины сотовыми уплотнениями составляет от 1 до 2,5 лет (по данным «Мосэнерго»).

Требования улучшения экономических показателей турбомашин с высокой степенью надежности в основном противоречивы и обусловливают необходимость оптимального проектирования элементов проточной части, в частности уплотнений валов и лопаточного аппарата. При этом тенденция уменьшения зазоров между неподвижными и вращающимися частями турбоустановок ограничивается критериями надежности, а связь этих существенно различающихся факторов может быть достигнута с использованием теоретических, экспериментальных и эксплуатационных методов исследования. Причем комплексные исследования с выявлением физической сущности происходящего процесса позволяют использовать оригинальные явления, протекающие в проточной части, например резонансные (пульсационные), с целью улучшения гидродинамических критериев качества уплотнений.

В 80-х гг. двадцатого столетия исследователи Института атомной энергии им. И.В. Курчатова обнаружили необычный физический эффект, заключающийся в том, что нагретая поверхность с неглубокими лунками резко интенсифицирует теплообмен с незначительным ростом сопротивления не только за счет турбулизации потока, но и за счет появления в потоке так называемых самоорганизующихся смерчеобразных струй. При этом на самоорганизацию таких течений затрачивается сравнительно малое количество энергии потока.

Дальнейшие исследования объяснили феномен роста энергии крупномасштабного вихря (смерча), возникающего в лунке: мелкие вихри, порожденные трением вязкого потока об обтекаемую поверхность, поглощаются этим вихрем, создавая «порядок из беспорядка».

Возникает естественный вопрос: нельзя ли управлять взаимодействием потоков в канале с сотовыми стенками путем изменения конструктивных параметров ячеек на поверхности обтекания?

Результаты практических и теоретических исследований показывают, что мелкомасштабные вихри в пространстве сотовых ячеек могут существенным образом влиять на сопротивление каналов с такими поверхностями. Причем в зависимости от конфигурации ячеек и их размеров это влияние может увеличивать или уменьшать сопротивление таких каналов. Поэтому была поставлена задача выявления физической сущности течения в пространстве сотовых ячеек и механизма взаимодействия потоков в каналах с сотовыми поверхностями при изменении конструктивных размеров, конфигурации уплотнений и режимных параметров потока.

На основании этих исследований может быть получен определенный эффект от применения сотовых уплотнений с оптимальной геометрической структурой для уменьшения утечек рабочего тела в турбомашинах и, следовательно, повышения эффективности их работы. Оптимальное конструирование позволит связать критерии качества и надежности уплотнения с его гидродинамическими показателями (при учете эксплуатационных факторов работы уплотнения).

Результаты испытаний моделей сотовых уплотнений (в виде щелей, одна стенка которых - гладкая, другая - сотовая поверхность) при различных геометрических соотношениях величин диаметра ячеек (dя), глубины (hя) и зазора в уплотнении () приведены на рис.1 [2]. Характерная особенность- снижение (на 20…30%) расхода утечки в области характеристики hя/dя 0,3. Это объясняется взаимодействием пространственных потоков в щели и ячейке, что подтверждается многочисленными экспериментами на различных сотовых структурах в широком диапазоне режимных параметров течения в уплотнениях.

Рис.1. Расходные характеристики сотового уплотнения:

На рис. 2 показаны результаты оптимизации геометрических параметров сотового уплотнения и их влияние на относительный расход утечки в плоском канале с сотовой стенкой и величиной ячейки (dя), изменяющейся в диапазоне 2…4мм [2].

Действующий парк паротурбинных установок, установленных на ТЭЦ и АЭС, устарел физически и морально. Кроме того, в последние годы на них не проводились плановые всеобъемлющие ремонтные работы. Поэтому показатели КПД в среднем отклоняются от нормальных на величину до 5%, а в некоторых случаях - до 10%. И это только за счет уменьшения КПД , который учитывает большое количество видов потерь в рабочем процессе действующей турбины по сравнению с идеальной, работающей без потерь. Среди всех видов потери на утечки теплоносителя через зазоры приобретают особенно большое значение и могут оказаться решающими при снижении экономичности турбоагрегата.

Рис. 2. Обобщающая зависимость относительного расхода в канале с сотовым уплотнением

С другой стороны, в настоящее время уделяется значительное внимание вопросу разработки быстроходных паротурбинных энергоблоков АЭС, повышенной мощности в одном агрегате.

При проектировании новых установок за основу берут работающие на АЭС в настоящее время. Проектировщики при решении вопросов реконструкции старых турбин сталкиваются с множеством проблем, таких как:

· высокая чувствительность основных узлов турбоагрегата к вакууму (деформация статорных элементов цилиндра низкого давления при наборе вакуума);

· сравнительно невысокий КПД, что требует особого внимания к конструкциям уплотнений, гарантирующим оптимальные значения радиальных зазоров и живучесть их при эксплуатации;

· наличие влажно-парового потока (оказывающего эрозийное воздействие) и др.

По объективным причинам зазоры в период эксплуатации увеличиваются, и задачей для ремонтного персонала является восстановление их значений до начального уровня.

На 80 - 90% действующих турбин конструктивные решения были выполнены еще в 60 - 70 гг. прошлого века, и сводились они в основном к мероприятиям в двух направлениях:

1. Уплотняющие гребни по зазору располагаются на бандаже ротора, а напротив них, со стороны статора, устанавливаются металлокерамические вставки. В случае задевания уплотняющие гребни должны проделывать себе дорожку в этих вставках.

2. Уплотняющие гребни устанавливаются со стороны статора.

В обоих вариантах зазор должен составлять 1,2…1,5 мм. Однако эксплуатация турбоагрегатов показала, что в первом варианте металлокерамические уплотнения слишком тверды, и поэтому стираются прежде всего гребни бандажа, а не материал вставок.

Во втором случае также наблюдается деформация уплотняющих гребней, установленных на неподвижном статоре, при касании о бандажную ленту ротора турбины. паровой турбина уплотнение лопаточный

Кроме того, при значительных задеваниях велика вероятность разрушения самих бандажных лент. По этой причине при такой конструкции минимизация надбандажных зазоров практически исключена. При эксплуатации турбины эти зазоры из-за задеваний увеличиваются и могут достигать значений 5…6 мм, вследствие чего большая доля парового потока вместо совершения полезной работы перетекает от ступени к ступени по увеличенным зазорам.

Все передовые турбостроительные фирмы ведут поиск и исследования по созданию новых конструктивных схем уплотнений. Так, фирма «General Electric» разрабатывает щеточные уплотнения, японские специалисты ведут работы с регулируемыми уплотнениями. В нашей стране разработаны приоритетные, так называемые сотовые уплотнения для паровых турбин, причем они могут быть использованы как надбандажные, диафрагменные или концевые.

Следует учесть, что внедрение сотовых уплотнений не требует коренного изменения их конструкции и может осуществляться доработкой уплотнительных узлов эксплуатируемых турбин при очередном капитальном ремонте. Большим преимуществом предлагаемых конструкций сотовых уплотнений является то, что даже при срабатывании сотовых вставок из-за задеваний в проточной части эти уплотнения практически превращаются в осерадиальные и начинают функционировать как последние. Замена сотоблоков в случае необходимости не представляет больших трудностей.

Применение сотовых уплотнений возможно на всех действующих турбинах, выпускаемых предприятиями: ЛМЗ, УТМЗ, КТЗ, ХТГЗ.

В современных паровых турбинах большой мощности применяются автоматизированные экономичные схемы концевых уплотнений. Для уменьшения потерь энергии используются отсосы пара от промежуточных точек уплотнений в проточную часть и систему регенерации. Для полного запирания полости цилиндров на всех режимах предусматривается подвод пара к уплотнениям от коллектора с небольшим избыточным регулируемым давлением, а также отсосы пара и паровоздушной смеси (по обе стороны от камеры подвода) в находящиеся под небольшим разрежением регенеративный отбор и сальниковый охладитель.

Опыт освоения мощных энергоблоков показал, что на некоторых станциях наблюдалось обводнение масла в системе смазки турбины, что приводило к ухудшенному вакууму в конденсаторе. Это явление полностью или частично объясняется неудовлетворительной работой концевых уплотнений: пропариванием в машинный зал или подсосами воздуха в проточную часть турбины. При этих обстоятельствах не обеспечивалась автоматическая работа системы уплотнений, а расход пара на уплотнения приходилось регулировать вручную путем изменения давления в коллекторе подачи.

Диафрагменные уплотнения с гребнями также подвержены значительному износу с увеличением радиальных зазоров в два и более раза. Поэтому задача замены традиционных гребневых уплотнений с повышением требований к их эффективности, надежности и ремонтопригодности весьма актуальна.

Внедрение сотовых уплотнений стабилизирует зазоры, сокращает утечки теплоносителя, а также снижает подсосы воздуха в конденсатор и сводит к минимуму обводнение масла в подшипниках турбомашин, расположенных в области концевых уплотнений.

Применение сотовых уплотнений вместо традиционных уплотнений с гребнями упрощает технологический процесс ремонта как самих уплотнений, так и роторов паровых турбин (без проточки в местах эрозийного износа влажным паром поверхности роторов под гребнями).

Следует отметить, что максимальный положительный результат от применения сотовых уплотнений в проточной части турбины для АЭС может быть получен при оптимизации как конструкции уплотнений, так и геометрических характеристик сотовых ячеек.

Восстановление уплотнений на валу ротора турбины путем использования сотоблоков может быть выполнено в процессе капитального ремонта.

Известен способ ремонта уплотнений с гребнями частичной или полной заменой износившихся гребней и проточкой поверхности вала для устранения канавок, образовавшихся в результате касания гребней поверхностью вала в процессе эксплуатации [3]. Недостатком такого способа является его относительная дороговизна, так как проточка вала должна осуществляться непосредственно на агрегате, а из-за значительных габаритов и массы валы мощных турбин часто нетранспортабельны. Кроме того, в период пуска после ремонта и начала эксплуатации возможно касание гребней поверхностью вала из-за тепловых расширений и динамических прогибов валов (вибрации), что приводит к увеличению зазоров (увеличению утечки), и турбомашина работает практически весь межремонтный период с пониженной экономичностью.

Демпфирующие пружины, предохраняя уплотнения от разрушения, не обеспечивают сохранность гребней (величины зазора) и поверхности вала в местах касания с соответствующим местным разогревом и локальной концентрацией напряжений. Напротив, пятно касания сотовой поверхности значительно возрастает и не вызывает опасного локального нагрева поверхности вала. Этому способствует также хороший теплоотвод через стенки ячеек к пластине сотового уплотнения. Не происходит значительного истирания стенок ячеек, так как пружина быстро срабатывает под воздействием толчка от касания нескольких десятков ячеек при незначительной массе пластины.

В последнее время в паровых турбинах используются различные способы локализации радиальных зазоров путем применения сотовых уплотнений. Недостатком этих способов является применение сотовой структуры неоптимальной формы: отношение глубины ячейки к диаметру hя/dя > 1, а в ряде случаев - свыше 3.

Использование «глубоких» ячеек оправданно с точки зрения сохранения их при значительных врезаниях при касании вращающимися частями турбоустановок, т.е. при существенном изменении зазора в процессе эксплуатации. Это присуще периферийным уплотнениям ступеней большого диаметра, особенно для газовых турбин, вследствие температурных расширений корпусов.

Валы роторов имеют значительно меньшие диаметры и небольшие изменения радиальных зазоров в процессе эксплуатации. Поэтому для уплотнения валов можно использовать «неглубокие» соты (hя/dя 0,3…0,5) с наибольшей (оптимальной) газодинамической эффективностью и минимально допустимыми зазорами.

Итак, предлагаемый способ отличается тем, что для уплотнения валов турбомашин применяются сотовые уплотнения с сотоблоками на пластинах, демпфирующими пружинами и оптимальными размерами сотовых ячеек (рис.3). При этом в процессе ремонта при замене уплотнений с гребнями нет необходимости проточки вала с канавками (из-за износа) или ступенчатой поверхности вала, так как утечка в сотовом уплотнении с одной из таких поверхностей даже ниже, чем в уплотнении с гладким валом, при этом исключаются операции замены гребней и их проточки на агрегате. Пластины с сотоблоками изготовляются на ремонтных предприятиях с калибровкой высоты сот шлифованием, а следовательно, гарантированной величиной зазора в уплотнении.

Рис. 3. Сегмент с сотовым уплотнением (dя=4; hя=2):

1 - сегмент; 2 - подложка; 3 - сотоблок; 4 - пружина

При использовании данного способа могут быть получены следующие технико-экономические результаты:

1. Упрощается процесс восстановления зазоров по валу турбомашины в период ремонта, который заключается лишь в наборе пластин с сотоблоками, поставляемых на станциюс запасными частями.

2. Монтажный зазор в уплотнении минимизируется и остается стабильным в процессе эксплуатации, что уменьшает утечку рабочего тела и повышает экономичность турбоустановки.

3. Применение сотоблоков в концевых уплотнениях паровых турбин снижает расход уплотняющего пара, а также пропаривание (обводнение масла) и подсос воздуха в конденсатор турбины.

4. Сотовая структура, являясь достаточно жёсткой, сохраняет целостность при касании вала в процессе разборки-сборки турбины в период ремонтов.

В заключение отметим, что в настоящее время в результате совместных разработок харьковским объединением «Турбоатом», Брянским государственным техническим университетом, технологическим филиалом концерна «Росэнергоатом», брянским заводом «Турборемонт», ОАО «Самарагазэнергосервис», Смоленской АЭС, предприятием «Курсктурбоатомэнергоремонт» спроектированы, изготовлены, экспериментально отработаны опытные сотовые уплотнения для ЦНД турбоагрегатов К-500-65/3000 Смоленской АЭС. Кроме того, разрабатывается соответствующая диагностическая аппаратура и методика испытаний опытного кольца сотового уплотнения в условиях эксплуатации, в том числе и с выявлением влияния на надежность уплотнения влажно-парового потока с возможными касаниями сотоблоков поверхностью вращающегося вала ротора.

Список литературы

1. Салихов, А.А. Применение сотовых уплотнений на турбинах/ А.А. Салихов, М.П. Юшка, С.В. Ушинин/ Электрические станции.-2005.-№6.-С. 22-26.

2. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах: монография / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, А.Л. Карташов [и др.].-2-е изд., перераб. и доп. - Брянск: БГТУ, 2006.-192с.

3. Родин, В.Н. Ремонт паровых турбин: учеб. пособие для вузов / В.Н. Родин, А.Г. Шарапов [и др.]; под общ. ред. Ю.М. Бродова.- Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ,2002.-296с.

Размещено на Allbest.ru