В соответствии с общепринятой классификацией в паровых турбинах УТЗ по назначению и месту установки различают следующие виды лабиринтовых уплотнений:
- концевые уплотнения в местах выходов валов из цилиндров;
- промежуточные (или диафрагменные) уплотнения между диафрагмой и ротором (валом);
- средние уплотнения в местах выходов ротора из внутреннего цилиндра в двухкорпусных цилиндрах;
- уплотнения рабочих лопаток надлопаточные (надбандажные), аксиальные;
- масляные уплотнения в местах выхода валов из корпусов подшипников;
- прочие уплотнения в местах слива масла из вкладышей, в местах выхода валов в районе муфт и др.
Рис.1.Переднее концевое уплотнение ЦВД турбины Т-295/335-23,5 с использованием уплотнительных колец сотовой конструкции
Рис. 2. Надбандажные уплотнения сотового типа ступени давления ЦВД
Сотовые уплотнения
Выполненное на основе рекомендаций, разработанных в 2005 г., первое применение сотовых уплотнительных колец для заднего концевого уплотнения ЦСД-2 турбины Т-250/300-240 дало положительные результаты: была устранена опасность задевания в концевом уплотнении, возникшая из-за близкой к предельному значению отрицательной величины ОРР ( –4,5 мм) в заднем концевом уплотнении, прекратился обдув паром масляного уплотнения и снижена опасность обводнения масла. Косвенно было отмечено повышение эффективности работы эжектора отсоса из уплотнения.
Впоследствии установка сотовых колец была произведена в концевых уплотнениях ЦНД турбины Т-250/300-240, а затем сотовые уплотнительные кольца были применены для надбандажных, диафрагменных и концевых уплотнений турбин Т-100/120-130 и Т-250/300-240.
Как показала практика многолетней эксплуатации турбин, при установке сотовых уплотнительных колец практически исключились случаи повреждения участков ротора, противолежащих сотовым поверхностям. При задеваниях возникают участки износа на сотовых кольцах, но при отсутствии попаданий в уплотнения посторонних предметов не повреждаются поверхности ни на роторе, ни на уплотнительных усах бандажей рабочих лопаток.
Результаты работы были исследованы Московским отделением ОРГРЭС. Было показано, что по сравнению с осерадиальными надбандажные сотовые уплотнения дали прирост экономичности проточной части ВД турбины Т-110/120-130 более, чем на 1 %, а для проточной части ВД турбины Т-250/300-240 прирост составил почти 1,7 %.
Применение сотовых уплотнительных колец в диафрагменных и концевых уплотнениях исключило наличие на валу ротора выступов и впадин – обязательных конструктивных признаков лабиринтовых уплотнений и неизбежных при этом радиусных переходов (галтелей) в них с радиусом, номинально равным 0,5 мм, являющихся конструктивно неизбежными концентраторами опасных термоусталостных напряжений в диафрагменных уплотнениях второй ступени ЦВД (и ЦСД-1 для турбины Т-250-240) и высокотемпературных зонах концевых и промежуточных уплотнений.
По результатам исследований изменения плотности проточных частей в связи с применением сотовых уплотнений, проведенных в период 2005…2014 гг. несколькими организациями, можно уверенно ожидать повышения экономичности проточной части турбин в результате применения сотовых уплотнительных поверхностей в надбандажных, концевых и диафрагменных уплотнениях на ~1,3…1,6 % (рис. 3).
Рис.3 Изменение относительного внутреннего КПД ЦВД турбины Т-110/120-130, до (1, 2) и после (3, 4) установки сотовых надбандажных уплотнений: 1, 3 – режимы с отключёнными ПВД; 2, 4 – режимы с включёнными ПВД.
К настоящему моменту все турбины, выпущенные УТЗ в период с 2007 года, оснащены сотовыми уплотнительными кольцами различных размеров и конфигураций. Разработан каталог сотовых колец для турбин УТЗ. Всего сотовыми уплотнительными кольцами оснащены более 170 турбин УТЗ и ПАО «Силовые машины» (ЛМЗ).
Поставщиком сотовых уплотнений для АО «УТЗ» является АО «РОТЕК».
Обобщённый технико-экономический анализ показывает, что срок окупаемости мероприятий по установке сотовых уплотнений при модернизации эксплуатируемых турбин не превышает двух лет.
Проанализирована и долговечность эксплуатации комплекта сотовых уплотнений, либо поставленных в составе турбоагрегата, либо установленных при проведении модернизации проточной части турбины. Были проведены осмотры и испытания достаточно представительного количества турбин, модернизированных путём установки в них сотовых уплотнений, с наработкой после модернизации от 37500 до 44500 ч (и одной турбины − с наработкой более 59000 ч). Состояние сотовых поверхностей надбандажного уплотнения со следами задевания через пять лет эксплуатации показано на рис. 4.
Рис.4 Износ сотовой уплотняющей поверхности через пять и десять лет эксплуатации: а – допустимый износ; б – недопустимый износ.
Рис.5. Износ сотовых уплотнений после пяти лет эксплуатации: а – надбандажное сотовое уплотнение проточной части ЦВД турбины К-200-130 после задеваний; б – надбандажное радиальное уплотнение проточной части ЦСД турбины К-200-130 после задеваний; в – концевое сотовое уплотнение ЦНД турбины Т-250/300-240
Результаты исследований говорят о том, что по сравнению с осерадиальными уплотнениями сотовые надбандажные уплотнения повышают экономичность проточной части ВД в турбинах высоких и сверхкритических параметров и сохраняют плотность проточной части через пять и более лет эксплуатации даже в том случае, когда вследствие задеваний на сотовой поверхности образуются выборки глубиной 1…2 мм. На фотографиях (рис. 5) показаны сотовые кольца диафрагменного уплотнения со следами задеваний через пять лет эксплуатации. Допустимая величина износа сотовой поверхности для продолжения эксплуатации колец без замены следует из результатов упомянутых выше испытаний. При этом осмотры и испытания сотовых уплотнительных сотовых колец через 10…11 лет эксплуатации однозначно свидетельствуют о необходимости их замены.
Выполненными исследованиями (см. выше) подтверждено сохранение динамической устойчивости валопровода, в частности РВД. Был проведён ряд стендовых работ по сравнительной оценке силовых и расходных характеристик сотовых, радиальных и осерадиальных надбандажных уплотнений. Сравнение выполнено при режимных параметрах, одинаковых для всех типов исследуемых уплотнений.
Таким образом, устранены сомнения, связанные с возможным снижением динамической устойчивости валопровода против возникновения низкочастотной вибрации. И реально на практике случаи возникновения низкочастотной вибрации в связи с установкой сотовых надбандажных уплотнений не имели места ни на турбине Т-250/300-240, ни на турбине Т-100/120-130, ни на турбине К-300-240.
