Контроль зазоров имеет большое значение для проектировщиков турбомашин и необходим для удовлетворения сегодняшних высоких требований по мощности, эффективности и срокам эксплуатации. Чрезмерные зазоры приводят к потерям в эффективности цикла, нестабильности потока и поступлению горячего газа в полости дисков. Недостаточные зазоры ограничивают потоки охлаждающей жидкости и вызывают истирание контактных поверхностей, перегрев расположенных ниже компонентов и повреждение поверхностей, что ограничивает срок службы компонентов. Специалисты уделяют особое внимание контролю зазоров, поскольку часто это самый экономичный метод повышения производительности системы.
Ключевые места уплотнения компрессора и турбины в промышленном двигателе показаны на рисунке 1.
- Истираемые уплотнения компрессора
- Истираемые уплотнения турбины
- Щеточное или истираемое уплотнение между ступенями
- Лабиринтные уплотнения подшипников
- Щеточное манжетное уплотнение высокого давления
Рисунок 1 – Уплотнения в газовой турбине GE Frame 7 EA
Торцевое уплотнение
Для минимизации утечек между роторами и корпусами применяются радиальные, торцевые и радиально-торцевые уплотнения. Уплотнения подвижных соединений, применяемые в газотурбинном оборудовании можно подразделить на бесконтактные (щелевые) и контактные. Основные из них представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Уплотнения подвижных соединений
| Класс | Тип уплотнения | Схема уплотнения (зазор в мм) | Ограничения | Эффективный зазор, мкм | ||
| скорость скольжения | температура | давление | ||||
| Бесконтактные | Лабиринтное |  | нет огран. | 1200 и более | нет огран. | 50… 200 |
| Щеточное |  | 400 | 1000 | 1,2 на один ряд щеток | 40…165 | |
| Графитовое бесконтактное |  | 180 | 700 | 25 | 3…12 | |
| Контактные | Графитовое контактное | | 100 | 700 | P*V=50 МПа·м/с | 10…20 |
| Поршневые кольца, металлические набивки сальников |  | 80… 100 | 700 | P*V=50 МПа·м/с | 10…20 | |
| Притертые пары, мягкие набивки сальников |  | 3 | Притертые пары 20…500 сальники 363…343 | 500 | 0 | |
| Манжеты (кожа, резина) |  | 1 | 310 | 600 (несколько манжет) | 0 | |
Рисунок 2. Торцевые уплотнения John Crane
Торцевое уплотнение John Crane — это высокотехнологичное герметизирующее устройство, характеризующееся надежностью и высокой эффективностью (официальный сайт: johncraneiskra.ru).
Уплотнение торца лопатки
Уплотнение торца лопатки турбины представляет собой сложную проблему из-за высокой скорости, температуры и разного зазора.
На сегодняшний день продолжаются исследования, основной задачей которых является разработка уплотнения с улучшенным управлением зазором торца лопатки.
- Диск турбины высокого давления (ТВД)
- Лопатки ТВД
- Поступающий воздух
- Уплотнение торца лопатки ТВД
- Фланцы
- Поступающий воздух
Рисунок 3 – Расположение уплотнения торца лопатки ТВД современной газовой турбины
Истираемые уплотняющие материалы
Как следует из названия, истираемые уплотняющие материалы стираются вращающимися лопастями во время работы. Ими оснащают корпуса компрессоров, газовых и паровых турбин для уменьшения зазоров до уровней, которые трудно достичь с помощью механических средств. Истираемые уплотнения приобретают высокое распространение в газовых турбинах как относительно простое средство для уменьшения зазоров газового тракта как в компрессоре, так и в турбине.
Наиболее эффективными материалами для истираемых элементов считаются материалы на основе дискретных металлических волокон.
Рисунок 4 – Образцы истираемого уплотнительного материала из волокон медного сплава
В турбомашинах применяются следующие виды уплотнений типа «газ-газ» между ротором и статором:
Лабиринтные уплотнения
Лабиринтные уплотнения часто используются в турбомашинах, компрессорах и насосах. Они имеют множество конфигураций. Наиболее распространенные конфигурации уплотнений показаны на рисунке 4. Лабиринтные уплотнения, обычно устанавливаемые на ротор, представляют собой бесконтактные уплотнения с малыми зазорами. Уплотняющее действие достигается за счет увеличения площади уплотнения благодаря чередующемуся расположению колец на валу и неподвижном корпусе.
- а) с прямыми гребешками
- б) с наклоненными гребешками
- в) с шахматным расположением гребешков
- г) со ступенчатым расположением гребешков
- д) с взаимным зацеплением
- е) истираемое (прирабатываемое)
Рисунок 5 – Типы лабиринтных уплотнений
Лабиринтные уплотнения имеют долгую историю доказанной надежности с развитой технологией и хорошо подходят для контактов с истираемой поверхностью.
Расположенное на территории России ООО «Джон Крейн – Искра» (г. Пермь) выпускает эффективные термопластичные лабиринтные уплотнения. Термопластичное уплотнение сохраняет заданный зазор, нивелирует вибрации, вызываемые трением.
Рисунок 6 – Термопластичное лабиринтное уплотнение Джон Крейн – Искра
Щеточные уплотнения
Рисунок 7 – Щеточные уплотнения Waukesha Bearings для газовых турбин
В промышленных газовых турбинах щеточные уплотнения применяются в межкаскадных уплотнениях горячего газового тракта, межствольных уплотнениях компрессорного отсека и масляной полости подшипника.
Щеточное уплотнение является первой простой и практичной альтернативой лабиринту, которое обеспечивает значительное улучшение производительности. Преимущества щеточных уплотнений по сравнению с лабиринтными включают:
- Снижение утечек
- Обеспечение отклонения вала из-за операций остановки/запуска и других переходных условий
- Малое занимаемое пространство в осевом направлении
- Более стабильные характеристики утечки в течение длительных периодов эксплуатации.
Сухие газодинамические уплотнения (СГДУ)
Уплотнения «газ-газ» («воздух-воздух»), работающие по принципу подшипника скольжения на газовой смазке, называют скользящими сухими уплотнениями.
В опорах компрессоров промышленных газотурбинных двигателей наибольшее распространение получили торцевые сухие газодинамические уплотнения (СГДУ) производства компании John Crane.
В конструкции СГДУ Джон Крейн используется запатентованная компанией специальная форма спиральной канавки. Благодаря этой особенности сухие газодинамические уплотнения Джон Крейн полностью бесконтактны. Это делает их безопасным, высоконадежным и долговечным решением для герметизации компрессоров, турбин, турбодетандеров.
- Седло из карбида вольфрама;
- Кольцо из графита;
- Пружины;
- Вторичные уплотнения;
- Металлические детали.
Рисунок 8 – Конструкция сухого газодинамического уплотнения Джон Крейн
Рисунок 9 – Сухое газодинамическое уплотнение Джон Крейн Искра
СГДУ John Crane
Применяются в турбомашинах с 70-х годов прошлого столетия. Уже поставлено более 20 тысяч СГДУ Джон Крейн, суммарная наработка которых составляет свыше 200 млн часов.
Особенности:
- Во время динамической работы зазор между седлом и торцом составляет около 5 мк, что сводит к минимуму износ.
- Конструкция седла в обойме предупреждает вторичное повреждение в случае выхода из строя седла.
Параметры эксплуатации:
- Температура: от -140°С до 315°С.
- Давление: до 450 бар изб.
- Скорость: до 200 м/с.
- Вал: до 330 мм.
СГДУ John Crane AURATM
Новое поколение газовых уплотнений Джон Крейн Искра с увеличенным сроком эксплуатации и интервалами в техобслуживании, с низкими затратами на техобслуживание и потребностью в запасных частях.
Особенности:
- Уплотнение балансировочного диаметра – это запатентованная конструкция, включающая в себя держатель торца и упорную втулку.
- Вторичный полимерный уплотнитель за седлом и торцом препятствует утечке уплотнительного газа и повышает диапазон рабочих режимов.
Параметры эксплуатации:
- Температура: от -60°С до 220°С.
- Статическое давление: до 220 бар.
- Скорость: до 140 м/с.
- Размер уплотнения: 100-276 мм.
Статическое уплотнение в турбооборудовании
Уплотнения в местах с неподвижным или относительно медленным перемещением в турбомашине включают поверхность контакта или соединения между неподвижными компонентами (камеры сгорания, сопла, кожухи и т. д.) по всему каналу внутреннего охлаждения для минимизации или контроля потоков утечки между компонентами турбины. Как правило, соприкасающиеся элементы должны выдерживать относительное вибрационное движение с минимальным износом. Кроме того, они должны соответствовать параметрам теплового расширения и несоосности. Эффективное уплотнение в зонах статического контакта не только повышает эффективность и выходную мощность турбины, но также улучшает профиль температуры газового тракта. Для решения этих проблем были разработаны различные типы уплотнений. Рассмотрим основные из них.
Металлические уплотнения
Металлические уплотнения используются в условиях с более высокой температурой и давлением, когда резиновые и полимерные уплотнения не подходят. В турбомашинах применятся несколько конфигураций: c поперечным сечением O, C и E. На рисунке 9 показан пример использования металлических уплотнений в промышленной газовой турбине.
- E-образные уплотнения компрессора
- Уплотнения камеры сгорания
- Уплотнения топливной системы
- E-образные уплотнения турбины
- Разделенные уплотнения
Рисунок 10 – Металлические уплотнения газовой турбины Alstom GT26 300 МВт
Уплотнения из металлической ткани
Они представляют собой объединения тонких листовых металлов (прокладок) и слоев плотно сплетенной металлической ткани. В то время как прокладки предотвращают утечку и обеспечивают гибкость конструкции, внешние слои ткани добавляют объем (играют роль чехла, защищающего от износа тонкие прокладки) и толщину без существенной жесткости. Типичная структура показана на рисунке 4.
- Обертывающая металлическая ткань
- Сварные точки
- Две прокладки
- Уплотнения из металлической ткани
Рисунок 11 – Структура уплотнения из металлической ткани
Плетеные и канатные уплотнители
Плетеные и канатные уплотнители могут использоваться в различных местах в турбомашинах. Активно исследуются передовые материалы, в том числе цельная/композитная керамика, интерметаллические сплавы (например, алюминид никеля) и углерод-углеродные композиционные материалы для удовлетворения требований по температуре, долговечности и весу.
Рисунок 12– Плетеные и канатные уплотнители для компрессоров и турбин
Купить уплотнения в России
Компания DMEnergy готова оказать услуги поставки торцевых уплотнений, лабиринтных уплотнений, щеточных уплотнений, сухих газодинамических уплотнений. Наши специалисты сотрудничают с производителями и обеспечивают оперативную доставку оборудования и комплектующих в любую точку России.
