УПЛОТНЕНИЕ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области турбостроения и предназначено для использования в паровых турбинах.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является уплотнение паровой турбины, используемое в качестве концевого, диафрагменного, надбандажного, сотовое уплотнение (см. Буглаев В.Т., Перевезенцев В.Т., Перевезенцев С.В., Даниленко Д.В., Карташов А.Л., Клинцов А.А. Сотовые уплотнения в турбомашинах. Брянск. БГТУ. 2006. 186 с), содержащее расположенные в камере цилиндрическую обечайку, внутри которой расположены гребешки из гофрированных колец, образующих сотовую структуру статорной части, при любых конфигурациях роторной части.
Однако, установленные при монтаже действительно малые зазоры, при работе турбоагрегата неизбежно возрастают (зачастую в несколько раз) вследствие деформации сотовой части при соприкосновениях роторной и статорной частей. Утечка возрастает и становится сопоставимой с утечкой через традиционные уплотнения.
Возмущающая неконсервативная сила, способствующая возникновению низкочастотной вибрации ротора, при малых радиальных зазорах между гребешками ротора и сотовым статором (0,1÷0,3) мм несколько меньше аналогичной силы при гладком статоре, однако, такие зазоры выдержать в процессе эксплуатации не удается, и эта положительная разница быстро выравнивается и даже может стать отрицательной.
Ремонтопригодность сотового уплотнения невысока по причине невозможности восстановления сотовой структуры после соприкосновения с роторной частью [см. Жуков С.В., Кистойчев А.В., Шапошников К.В., Урьев Е.В. Анализ использования сотовых уплотнений в конструкциях паровых турбин. Электрические станции №2. 2013. с. 27-31.]. К тому же, вследствие применения уникальных технологий изготовления сотовой структуры, это уплотнение отличается существенной дороговизной.
Любое из лабиринтных уплотнений, как прямоточное, так и уплотнение с полным гашением скорости в камерах, состоит из последовательно чередующихся гребешков (дросселей) и камер. В камерах уплотнений помимо осевого неизбежно устанавливается окружное течение пара, которое, при наличии эксцентриситета между осями ротора и статора, является источником неконсервативной возмущающей силы, способствующей возникновению низкочастотной вибрации ротора.
Отрицательная особенность всех лабиринтных уплотнений состоит в том, что экономичность (малые утечки пара) и виброустойчивость (малые значения неконсервативной возмущающей силы) с точки зрения оптимизации, имеют взаимопротивоположные направления.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение неконсервативной возмущающей силы при неизменных значениях утечки пара. Этот результат достигается, тем, что известное уплотнение паровой турбины, содержащее расположенные в камере цилиндрическую обечайку, внутри которой расположены гребешки, оно снабжено перегородками, установленными в камере и образующими с гребешками ячеистую структуру, соединенную сваркой, при этом в наружной части гребешков выполнены прорези, куда установлены перегородки.
Отсутствие трудоемких токарных и фрезерных операций, применение простых технологий по сравнению с аналогом и прототипом позволяет резко снизить затраты на изготовление предлагаемого уплотнения. Высокая ремонтопригодность достигается возможностью быстрой замены поврежденных элементов. Гребешки могут быть выполнены как в плоском варианте под прямым углом к оси турбины, так и (частично) под некоторым заданным углом, что направлено на повышение экономичности при высокой виброустойчивости уплотнения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. показано диафрагменное уплотнение паровой турбины, на фиг. 2 показан разрез по А-А, на фиг. 3, приведен разрез по Б-Б.
Уплотнение паровой турбины содержит цилиндрическую обечайку 1 с установленными в ней гребешками 2 и 3 с шагом S, образующими кольцевые камеры, которые могут быть установлены под любым, например, прямым, углом к оси турбины, хотя конструкция и технология позволяют в широких пределах изменять эти углы установки. В наружной части гребешков 2 и 3 выполнены прорези с шагом S1, куда входят перегородки 4, которые в нижней части имеют ответные прорези с шагом S.
1
2
1
2
1
2
Прорези на гребешках 2 и 3 и, соответственно, перегородки 4, могут иметь радиальное расположение, но возможна и компоновка под некоторым углом к радиусу. Все четыре детали уплотнения могут быть изготовлены из стального листа толщиной Δ, Δ, Δ, причем 0,2 мм≤Δ, Δ, Δ≤3 мм, хотя наиболее удобный вариант, когда Δ=Δ=Δ.
1
На чертеже изображен пример выполнения, когда S=S1 и ячейка имеет квадратную форму с диаметром вписанной окружности dя. Здесь показана конфигурация, характерная для диафрагменного уплотнения, когда ротор 5 имеет ступенчатую форму. Значения радиальных зазоров экспериментально установлено в пределах 1,0 мм≤δ, δ1≤3,0, а осевая протяженность уплотнения l аналогична стандартным диафрагменным уплотнениям; то же относится и к глубинам камер h и h. Данное уплотнение относится к разряду уплотнений с полным гашением скорости в камерах.
1
Совершенно иная компоновка вырисовывается, если ротор - гладкий диаметром D, а статорная часть аналогична изображенной, но детали 2 заменяются дополнительными гребешками 3, т.е. h=h и радиальный зазор по всей длине равен δ. Уплотнение становится прямоточным, где статорная часть имеет прямоугольно-ячеистую структуру.
1
Если размеры ячеек S и S в пределах 2 мм≤S, S1≤4 мм, то прямоугольно-ячеистая конструкция работает как сотовая вставка с шестигранной (шестиугольной) ячейкой, диаметр вписанной окружности которой находится в тех же пределах. Как известно, наиболее распространены сотовые уплотнения с диаметрами ячеек 0,9 мм≤dя≤3,0 мм. При гладком роторе и радиальных зазорах 0,3 мм≤δ≤3,0 мм течение в таком уплотнении аналогично течению в трубе с различной шероховатостью. Т.е., аэродинамические характеристики уплотнений с прямоугольными и шестиугольными ячейками сходны. Однако, уплотнение с прямоугольными ячейками значительно проще по технологии и, как следствие, гораздо дешевле, чем аналогичные уплотнения с шестиугольными ячейками.
Предлагаемые ячеистые конструкции представляют особый интерес при значениях S и S1 от 4 мм и выше. В этом случае, при внешнем сходстве, уплотнение принципиально отличается от сотового. Основную роль здесь играет размер S, по сути, представляя собой при гладком роторе, шаг прямоточного уплотнения, а при ступенчатом роторе - шаг уплотнения с полным гашением скорости. Изобретение позволило при заданной экономичности, посредством установки перегородок 4, существенно (на 70÷80%) снизить неконсервативную возмущающую силу и повысить виброустойчивость уплотнения.
Уменьшая зазоры между ротором и статором можно повысить экономичность уплотнения, но за счет снижения виброустойчивости, и наоборот.
Использование полезной модели позволяет составлять уплотнения с различными конфигурациями роторной части, что дает возможность использовать их в качестве концевых, диафрагменных, надбандажных. Уплотнение установленное в расточки корпуса, в диафрагмы, в обоймы или другие статорные части, обеспечивают высокую ремонтопригодность и надежность при работе как в среде перегретого пара в цилиндрах высокого и среднего давлений, так и в среде влажного пара в цилиндре низкого давления.