СНИЖЕНИЕ УТЕЧЕК В ПАРЕ «РОТОР-СТАТОР» ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ УПЛОТНЕНИ

По результатам исследования получены решения, обеспечивающие повышение эффективности рабочего процесса в газовых турбинах за счет применения лабиринтных уплотнений с заданными характеристиками между ротором и статором турбины.

Конструкторско-технологические решения по обеспечению снижения перетока рабочего тела на теоретической границе уплотнения пары «ротор-статор» газовой турбины относят к числу сложных. Это связано с термодинамическими условиями эксплуатации этой пары:

• уровень температур рабочего процесса составляет 1100-1400°С;
• линейные скорости уплотняемых рабочих поверхностей доходят

до 100-200 м/с;

• радиальный размер уплотняемого пространства является переменным значением с учетом теплового изменения размеров контактных поверхностей деталей в диапазоне температур от режима запуска до выхода на оптимальный режим эксплуатации.

На рисунке 1 показана типовая схема сечения дросселирующего клапана с толщиной стенок ∆, при движении потока перед дросселированием с давлением p^’ и после - с давлением p¹. Исходя из процесса, в i,s – диаграмме видно, что давление газа уменьшается, проходя через каждый участок уплотнения.

Задачи создания и применения осевых и радиальных уплотнений для тел вращения сводятся к гарантированному созданию минимальной кольцевой щели на границе уплотнений с заданными размерами и формы щели в виде лабиринта. Для достижения данной цели применяют лабиринтные уплотнения. Действие таких уплотнений основано на торможении (завихрении) газа в узкой кольцевой щели с последующим расширением в смежной кольцевой камере большего объема.

Рисунок 1.Дросселирование в лабиринтном уплотнении: а – схема уплотнения;б – процесс в h,s - диаграмме.

На рисунке 2 показана схема действия лабиринтного уплотнения. Такое уплотнения отделяет полость А с повышением давления P_a от полости Б с понижением давления РБ.

Рисунок 2.Схема действия лабиринтного уплотнения: 1,2,3…n – значение давлений на участках уплотнений;в – ротор; г – статор;∆P_a – разность давлений соседних участков уплотнений.

На основе исследований установлено, что камеры целесообразно выполнять с резкими уступами на пути движения струи с тем, чтобы кинетическая энергия вытекающего из щели рабочего тела снижалась до минимума. Однако наличие  таких уступов требует горизонтального разъема статора, что не всегда можно выполнить. Поэтому на практике применяются уплотнения с уступами и без уступов, они  приведены на рисунке 3.

Рисунок 3.Профили сечений лабиринтных уплотнений: а - п – формы сечений уплотнений

Количество протекающего через лабиринты рабочего тела при одинаковых размерах всех щелей можно определить по формуле Ауреля Стодолы[2]:

,                                                       (1)

где G – массовый расход рабочего тела;

f – живое сечение кольцевой щели;

 - соответственно начальное давление и удельный объём рабочего тела;

 - противодавление;

z – число щелей;

µ - коэффициент расхода.

Коэффициент расхода зависит от устройства уступов, величины зазоров, формы и толщины концов гребней, расстоянии между ними. Если при возникновении критической скорости в последней щели коэффициент расхода для нее выше, чем для остальных щелей.

Расстояние между гребнями уплотненийT (рис. 2а) в значительной мере отражается на процессе торможения потока в лабиринтовых камерах, особенно при отсутствии уступов. При этом давление вдоль лабиринта падает постепенно, что способствует сохранению кинетической энергии рабочего тела перед входом в последующую щель и увеличению его расхода.

На основании опытных данных [1], можно принять для заостренных гребней (рисунок 1) следующие средние значения коэффициентов расхода, составляющие μ₁≈0,67 и μ₂=0,80.

Зазоры в лабиринтовых уплотнениях следует делать по возможности малыми (0,15…0,2 мм). Однако, учитывая увеличение зазоров во время эксплуатации, в расчетах обычно принимают их вдвое большими, чем показано на чертежах, по которым изготовляются уплотнения.

На основе обобщения известного типа уплотнения и выполненных исследований установлено, что обеспечение предельно малого зазора является очень важной задачей для повышения качества работы газовой турбины. Для этого предложено изготавливать лабиринтное уплотнение в два этапа: формирование на роторе будущей формы лабиринта и нанесение слоя или формы лабиринта в форме плазменного напыления (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема решений по предлагаемомууплотнению:1 – изготавливаемая часть уплотнения ротора; 2 – поверхность, образованная по технологии плазменного напыления; а – ротор; б – статор; δ – радиальный зазор; Δ – ширина кромки, R – радиус канала уплотнения, h – высота слоя плазменного напыления.

В связи с предложенными решениями, в месте контакта подвижной и неподвижной части предложено провести подбор специальных контактных материалов, с повышенными свойствами уплотнения и притирки. Материалы предложено наносить по технологии плазменного напыления с последующей доводкой контактных поверхностей. Толщина такого напыления (h_н) должна составлять 1,5…2 мм. Такой участок должен обладать высокими уплотняющими свойствами и прирабатываемостью при совместном движении контактных поверхностей [4]. При сборке турбины необходимо, чтобы подвижная и неподвижная были доведены до касания.

После сборки турбиныпредусмотрены этапы обкатки и доведения параметров уплотнения до оптимальных значений:

1.Изготовление базовой части уплотнения для поверхности, образованную по технологии плазменного напыления.

2.Напыление заданной формы лабиринта с размерами, при которых допустимокасание статора нанесенными поверхностями лабиринта.

3.Холодная обкатка с внешним приводом, предназначенная для обеспечения прилегания соприкасающихся частей ротора и статора.

4.Горячая обкатка на пониженном режиме без внешней нагрузки для обеспечения полного прилегания соприкасающихся частей лабиринта.

5.Обкатка на рабочем режиме

6.Передача в эксплуатацию на рабочем режиме.

Предлагаемые решения по совершенствованию уплотнений в паре «ротор-статор» могут быть рекомендованы для повышения эффективности рабочего процесса газовых турбин широкого диапазона мощности и назначения.

Список литературы:

1. Вивденко Ю.Н. Обобщенная схема поверхностного слоя деталей при восстановлении / Ю.Н. Вивденко. Межвуз. тематич. науч. Сборник. Уфа; Изд-во УАК. 1994. С.13-19
2. Кириллов И.И. Теория турбомашин / И.И. Кириллов. Л.: Машиностроение, 1972. 537 с.
3. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие / П.И. Орлов. М.: Машиностроение, 1987. 379 с.
4. Способ бесцентровой абразивной доводки и устройство для его осуществления. Вивденко Ю.Н., Макаренко Н.Г., Головаш А.Н., Кусик Б.В. Патент на изобретение RUS2344919 17.07.2006.