Особенности подшипников и уплотнений нагнетателя природного газа

Упорные подшипники нагнетателей — нередко повреждаемы узлы при эксплуатации. Как правило, их выполняют двухсторонними, так как они должны воспринимать осевое усилие как вперед, так и назад. Применяют исключительно сегментные подшипники (с отдельными упорными колодками). Все существующие конструкции используют то или иное устройство для выравнивания усилий на отдельные колодки. Особенность упорных подшипников нагнетателей — нагруженность их при запуске, так как ГГПА запускают под полным давлением газа в корпусе НПГ. При этом колодки работают в условиях полусухого трения, потому что затруднено образование масляного клина. Поэтому поверхность трения колодок предпочтительно выполнять с заливкой баббитом, который хорошо работает в таких условиях. Этот сплав состоит из 83% олова, 11% сурьмы и 6% меди (марка Б-83) В качестве основного материала колодок используют оловянистую и хромистую бронзу с высоким коэффициентом теплопроводности, красную медь, реже сталь.

Максимальная температура баббитового слоя не должна превышать 100°С. Снижение толщины баббитовой заливки до 0,2— 0,3 мм благоприятно в отношении теплопередачи к основному материалу колодок.

Следует иметь в виду малую толщину масляного клина (обычно не более 50 мкм на выходе из колодки), вследствие чего жестко ограничиваются допустимое биение торцевых поверхностей упорного диска, наличие на них конусности, высота микронеровностей. Для улучшения условий образования масляного клина должно строго выдерживаться профилирование входной кромки колодок.

Упорные подшипники нагнетателей чаще всего работают в сплошной масляной ванне под заметным избыточным давлением, чтобы предотвратить образование вакуумных зон, где может выделяться растворенный в масле воздух и происходить даже вскипание масла. Предельные окружные скорости в новых конструкциях иногда превышают 100 м/с. Это вызывает заметный нагрев и снижение вязкости масла. Поэтому расчетные давления обычно ограничиваются 2—2,5 МПа. При большой величине осевого усилия применяют также два ряда упорных колодок с наиболее нагруженной стороны. Такая конструкция хорошо работает при использовании выравнивающего устройства в виде упругого кольца. Повышение несущей способности упорных подшипников достигается при использовании масла после фильтров тонкой очистки и снижении шероховатости поверхности гребня за счет алмазного выглаживания.

Иногда на упорный подшипник нагнетателя передают через соединительный промежуточный вал осевое усилие от силовой турбины. При полной нагрузке осевое усилие от турбины максимально, однако при запуске оно отсутствует. Для повышения нагрузки на колодки и снижения гидравлических потерь в крупных НПГ применяют упорные подшипники с индивидуальным подводом масла к каждой колодке. Сложность и дороговизна этой конструкции окупаются не только выигрышем в механическом к. п. д. и затратах на охлаждение масла, но и повышенной несущей способностью и надежностью подшипника. Благодаря работам Тернопольского филиала Львовского политехнического института и других организаций в упорных подшипниках в качестве дополнительных элементов успешно используют антифрикционные пластмассы. Они хорошо работают в условиях полусухого трения, не подвержены растрескиванию при знакопеременных нагрузках, легко принимают любую заданную конструкцией форму.

В качестве опорных подшипников НПГ используют исключительно подшипники скольжения с баббитовой заливкой. Преобладают двухклиновые вкладыши с лимонообразной расточкой, которые хорошо демпфируют низкочастотные колебания на масляной пленке. Используемые давления составляют 1—1,5 МПа. Однако при роторах с тяжелой консолью (одноступенчатые нагнетатели) удаленный от рабочего колеса подшипник обычно слабо нагружен. Кроме того, на примыкающую к нему часть ротора передается возмущающая сила от муфты соединительного вала, так как в работе всегда имеет место некоторая несоосность валов нагнетателя и силовой турбины. Для обеспечения более спокойной работы ротора на всех режимах отдаленный от рабочего колеса вкладыш часто выполняют из трех или пяти сегментов, т. е. многоклиновым. Такие конструкции хорошо гасят колебания при небольшой неуравновешенности ротора. Их нередко применяют для опорных подшипников двухступенчатых нагнетателей. Минимальная толщина масляной пленки в клине составляет около 20 мкм. Поэтому для надежной работы подшипника важны тщательная очистка масла от механических примесей и малая шероховатость поверхности шеек ротора, что достигается с помощью алмазного выглаживания.

Широко распространено объединение упорной и опорной частей подшипников в один опорно-упорный подшипник, а также выполнение опорным вкладышем функций втулочного масляного уплотнения.

Уплотняющие устройства НПГ делят на концевые или внешние и промежуточные или внутренние. Концевые уплотнения предотвращают выход газа за предусмотренные конструкцией пределы. Промежуточные уплотнения уменьшают или предотвращают полностью перетекания среды между отсеками проточной части. По конструктивной схеме уплотнения делят на лабиринтовые (бесконтактные), гидравлические и контактные. Из бесконтактных уплотнений очень большое значение имеет лабиринтовое уплотнение на втулке покрывающего диска рабочего колеса. Износ этого уплотнения вызывает вредную циркуляцию сжатого газа после рабочего колеса на его всас, при этом заметно падают напор и к. п. д. степени. Статорную часть уплотнения выполняют из бронзы или легкосрабатывающихся материалов. Желательно конструктивно обеспечить возможность или несложного восстановления номинальных зазоров в нем при ремонтах, или легкой замены уплотнительного кольца.

Эффективность и вопросы конструкции лабиринтовых уплотнений турбомашин рассматриваются ниже, а также в работах

Широко распространяется прогрессивная конструкция лабиринтового уплотнения, имеющего гребни как на роторе, так и на статоре. Варианты такого уплотнения исследованы в ЦКТИ В. Г. Орликом и Л. В. Резником. Уплотнение позволяет иметь минимальную протечку при заданной длине и не подвержено задеваниям при небольших нарушениях режимов эксплуатации.

В качестве материалов лабиринтовых уплотнений используют нержавеющую сталь, латунь, бронзу, пластмассы.

Гидравлические уплотнения выполняют втулочного типа, причем основной уплотняющей втулкой является часть внутренней поверхности опорного вкладыша, имеющая цилиндрическую расточку и малый диаметральный зазор с валом. Давление масла, подаваемого специальными насосами, поддерживается несколько большим, чем давление газа, с помощью специального регулятора перепада «масло—газ». Протечка масла, контактировавшего с газом, направляется через поплавковую камеру в специальный дегазатор, называемый также газоотделителем. Поскольку в эксплуатации возможны случаи работы с повышенной вибрацией ротора, баббитовая поверхность уплотнительного вкладыша может повреждаться, а баббит выкрашиваться. Значительное улучшение работы втулочного уплотнения достигается при использовании в нем одного или двух плавающих колец, которые позволяют уменьшить диаметральный зазор и соответственно протечку масла и не боятся умеренных вибраций.

Конструкцией уплотнения должна быть также полностью исключена протечка масла в рабочую газовую полость НПГ — не только при мелких нарушениях режима эксплуатации, но и при аварийных ситуациях. При остановке уплотнительных насосов герметичность уплотнения обеспечивается в течение времени, необходимого для останова ГГПА и стравливания газа из контура, с помощью аккумулятора масла, находящегося под рабочим давлением газа в уплотнениях и установленным, как правило, на корпусе нагнетателя.

Контактные уплотнения обычно называются торцевыми; в них используют торцевые уплотнительные поверхности. Применяют материалы с низким коэффициентом трения при умеренных окружных скоростях, например боросилицированный графит. Перепад давлений «масло—газ» поддерживают с помощью специального регулятора.