Уплотнения турбин
В паровых турбинах используются четыре вида уплотнений: концевые, промежуточные, диафрагменные и уплотнения рабочей решётки. Концевые уплотняют концы валов, выходящих из цилиндров; промежуточные отделяют отсеки проточной части с разными направлениями потоков пара в противоточных цилиндрах — без них пар перетекал бы между отсеками, сбивая работу ступеней; диафрагменные препятствуют протечке пара между диафрагмой и валом; уплотнение рабочей решётки обычно включает надбандажное (периферийное) и осевое.
Смежные темы: диафрагмы паровых турбин, ротор турбины, упорный подшипник.
Четыре требования к уплотнениям
- Минимум утечки пара. Зазоры минимально допустимы из соображений невозможности задеваний: задевание в лучшем случае срабатывает гребешки с потерей экономичности, в худшем — тяжёлая авария с тепловым остаточным прогибом ротора. Утечка обратно пропорциональна квадратному корню из числа гребешков — их стремятся увеличить. Однако число гребешков определяется и другими факторами: длиной уплотнения, осевыми габаритами и допустимым трением.
- Надёжность. Случайные задевания (например, при проходе валопроводом критических частот вращения) не должны приводить к сильному износу уплотнений или разогреву вала.
- Ремонтопригодность — лёгкая замена в условиях электростанции.
- Виброустойчивость — протекающий пар не должен возбуждать аэродинамическими силами колебания ротора.
Конструктивно уплотнение — система острых гребней с малым зазором к сопряжённой поверхности: гладкой (прямоточное уплотнение) или ступенчатой. Разнообразие конструкций велико: поняв типичные — диафрагменное сегментное и концевое ленточное, можно разобраться и в остальных.
Диафрагменное уплотнение: конструкция по узлам
В расточке каждой половины диафрагмы устанавливаются сегменты уплотнения с гребнями. Параметры: радиальный зазор 0,5–0,62 мм, осевые зазоры 4–5,2 мм. Стыки сегментов подгоняют плотно — так, чтобы обеспечить концентричность зазора в рабочем положении; затем сегменты закрепляют в нижней половине диафрагмы. Концентричность критична: неравномерный зазор означает и неравномерную утечку, и точечные задевания при прогибах вала.
Узлы конструкции:
- Сегменты с гребнями — вставлены в расточку диафрагмы, образуют радиальный зазор к валу;
- Плоские прижимные пружины — податливость сегментов от вала при задеваниях плюс гарантия малых зазоров для нижних сегментов, опускающихся под собственным весом;
- Канал подачи давления — в расточку подаётся давление перед диафрагмой, превышающее падающее по ходу пара давление в уплотнении: сегмент отдавливается к валу при нормальной работе;
- Узел крепления — сегменты в половинах диафрагмы.
Недостаток конструкции: при износе гребней сегменты не ремонтируются — полная замена. Нижние сегменты, могущие опуститься под действием силы веса, дополнительно удерживаются пружинами — без них зазор «выбирался бы» под весом.
Концевое уплотнение: лента и проволока
На валу выполняются кольцевые канавки, в которые устанавливают тонкую ленту с профильной частью, соответствующей канавке ротора. Технология: кусок ленты отрезают от спирали жаропрочной нержавеющей стали с внутренним радиусом, равным радиусу дна канавки; на токарном станке специальным роликом ленту завальцовывают проволокой из нержавеющей стали.
Такая конструкция представляет меньшую опасность для прогиба вала, чем жёсткие сегменты. При задевании срабатывается тонкая лента — её меняют без разборки узла, тогда как изношенный сегмент диафрагмы требует полной замены. Профильная часть ленты заранее соответствует канавке ротора: гребни формуются до установки.
Рис. 22. Диафрагменное уплотнение турбины: 1 — расточка под сегмент; 3 — прижимная плоская пружина; 4 — гребень уплотнения; 5 — вал турбины; 6 — узел крепления сегментов в половинах диафрагмы; 7 — канал для сообщения полости расточки с областью повышенного давления.
Рис. 23. Элемент концевого уплотнения: а — фрагмент уплотнения; б — установка уплотнительной ленты; 1 — обойма уплотнения; 2 — вал; 3 — уплотнительная лента; 4 — вальцовочная проволока.
Четыре вида уплотнений в таблице
| Вид | Где стоит | Что разделяет/уплотняет |
|---|---|---|
| Концевые | концы валов, выходящие из цилиндров | цилиндр от атмосферы |
| Промежуточные | отсеки противоточных цилиндров | отсеки с разными направлениями потоков пара |
| Диафрагменные | между диафрагмой и валом | протечку пара мимо сопловой решётки |
| Рабочей решётки | надбандажное (периферийное), осевое | протечку пара мимо лопаток поверх бандажа |
Прямоточное и ступенчатое уплотнение
Сопряжённая с гребнями поверхность выполняется либо гладкой — прямоточное уплотнение (пар проходит вдоль вала, гребни лишь дросселируют), либо ступенчатой — гребни чередуются с камерами, где пар расширяется и теряет скорость: утечка меньше при том же числе гребней, но конструкция чувствительнее к осевым смещениям ротора. Выбор типа зависит от места: ступенчатые ставят там, где осевое положение ротора жёстко задано упорным подшипником, прямоточные — где габариты уплотнения ограничены.
Ленточные и сегментные: сравнение
| Параметр | Сегментные (диафрагменные) | Ленточные (концевые) |
|---|---|---|
| Элементы | сегменты с гребнями на пружинах | лента, завальцованная проволокой |
| Ремонт | только полная замена при износе | замена ленты в канавке |
| Опасность для вала при задевании | выше (жёсткое крепление в расточке) | ниже — лента податлива |
| Установка | в расточки половин диафрагмы | в кольцевые канавки вала |
Типичные проблемы и их причины
- Задевания при пуске. Валопровод проходит критические частоты — вибрация выбирает зазоры: пружины сегментов отводят их от вала, защищая гребни.
- Износ гребешков. Срабатывание снижает экономичность: утечка растёт обратно пропорционально корню из числа гребней — стёртые гребни восстанавливают заменой ленты или сегмента.
- Тепловой остаточный прогиб ротора. Худший исход сильного задевания: разогрев вала в одной точке и остаточный прогиб — авария с ревизией валопровода.
Частые вопросы
Какие бывают уплотнения в паровых турбинах?
Четыре вида: концевые (концы валов), промежуточные (отсеки проточной части в противоточных цилиндрах), диафрагменные (между диафрагмой и валом) и уплотнения рабочей решётки (надбандажное, осевое).
Какие зазоры в диафрагменном уплотнении?
Радиальный 0,5–0,62 мм, осевые 4–5,2 мм. Зазоры минимально допустимы из соображений невозможности задеваний.
Почему сегменты уплотнения ставят на пружинах?
Пружины дают податливость в радиальном направлении: при случайных задеваниях сегмент отходит от вала без сильного износа гребней, а для нижних сегментов пружина гарантирует малый зазор против провисания под собственным весом.
Из какой стали делают ленту концевого уплотнения?
Из жаропрочной нержавеющей стали: спиральную ленту с внутренним радиусом по дну канавки ротора завальцовывают проволокой специальным роликом на токарном станке.
Как восстанавливают гребни концевого уплотнения?
Заменой ленты: в кольцевую канавку вала укладывают ленту из жаропрочной нержавеющей стали и завальцовывают проволокой специальным роликом на токарном станке.
Зачем сегментам канал подачи давления?
В расточку подаётся давление перед диафрагмой: оно выше, чем падающее по ходу пара давление в уплотнении, и отдавливает сегмент к валу при нормальной работе — зазор остаётся малым без чрезмерного прижатия. При задевании пружина отводит сегмент от вала.
Как число гребешков влияет на утечку пара?
Утечка обратно пропорциональна квадратному корню из числа гребешков: вдвое больше гребней — утечка меньше в 1,4 раза. Число гребней ограничено конструкцией и длиной уплотнения.
