X

Уплотнения газовых турбин

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 герметизации компрессора и турбины в промышленном двигателе показаны на рисунке 1.

Уплотнения в газовой турбине GE Frame 7 EA

  1. Истираемые уплотнения компрессора
  2. Истираемые уплотнения турбины
  3. Щеточное или истираемое уплотнение между ступенями
  4. Щеточные уплотнения подшипников
  5. Щеточное манжетное уплотнение высокого давления

Рисунок 1 – Уплотнения в газовой турбине GE Frame 7 EA

 

Динамическое 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 Схема лабиринтного уплотнения нет огран. 1200 и более нет огран. 50... 200
Щеточное Схема щеточного уплотнения 400 1000 1,2 на один ряд щеток 40...165
Графитовое бесконтактное Схема графитового бесконтактного уплотнения 180 700 25 3...12
Контактные Графитовое контактное Схема графитового контактного уплотнения 100 700 P*V=50 МПа·м/с 10...20
Поршневые кольца, металлические набивки сальников Схема поршневых колец, металлических набивок сальников 80... 100 700 P*V=50 МПа·м/с 10...20
Притертые пары, мягкие набивки сальников Притертые пары, мягкие набивки сальников 3 Притертые пары 20...500
сальники 363...343
500 0
Манжеты (кожа, резина) Манжеты (кожа, резина) 1 310 600 (несколько манжет) 0

 

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.

Расположение уплотнения торца лопатки ТВД в современной газовой турбине

  1. Диск турбины высокого давления (ТВД)
  2. Лопатки ТВД
  3. Поступающий воздух
  4. Уплотнение торца лопатки ТВД
  5. Фланцы
  6. Поступающий воздух

Рисунок 2 – 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 в качестве истираемых элементов считаются материалы на основе дискретных металлических волокон.

Образцы истираемого уплотнительного материала из волокон медного сплава

Рисунок 3 – Образцы истираемого уплотнительного материала из волокон медного сплава

 

В турбомашинах применяются следующие виды уплотнений типа «газ-газ» между ротором и статором:

  1. Лабиринтные
  2. Щеточные
  3. Скользящие сухие газодинамические уплотнения

 

Лабиринтные уплотнения

Лабиринтные уплотнения часто используются в турбомашинах. 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.

Типы лабиринтных уплотнений

  • 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 4 – 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.

Термопластичное лабиринтное уплотнение Джон Крейн – Искра

Рисунок 5 – Термопластичное лабиринтное уплотнение Джон Крейн – Искра

 

Щеточные уплотнения

В промышленных газовых турбинах щеточные уплотнения применяются в межкаскадных уплотнениях горячего газового тракта, межствольных уплотнениях компрессорного отсека и масляной полости подшипника.

Щеточные уплотнения Waukesha Bearings для газовых турбин

Рисунок 6 – 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, 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

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.

Сухое газодинамическое уплотнение Джон Крейн

  1. Седло из карбида вольфрама;
  2. Кольцо из графита;
  3. Пружины;
  4. Вторичные уплотнения;
  5. Металлические детали

Рисунок 7 – Конструкция сухого газодинамического уплотнения Джон Крейн

Сухое газодинамическое уплотнение Джон Крейн Искра

Рисунок 8 – Сухое газодинамическое уплотнение Джон Крейн Искра

СГДУ Джон Крейн 28

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 Джон Крейн AURA

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.

Уплотнения газовой турбины Alstom GT26 300 МВт

  1. E-образные уплотнения компрессора
  2. Уплотнения камеры сгорания
  3. Уплотнения топливной системы
  4. E-образные уплотнения турбины
  5. Разделенные уплотнения

Рисунок 9 – 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 3.

Уплотнения из металлической ткани

 

  1. Обертывающая металлическая ткань
  2. Сварные точки
  3. Две прокладки
  4. Уплотнения из металлической ткани

Рисунок 10 – Структура уплотнения из металлической ткани

 

Плетенные и канатные уплотнители

Плетенные 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.

Тканные и канатные уплотнители

Рисунок 11 – Плетенные и канатные уплотнители для компрессоров и турбин