4.4. Вопросы для самопроверки

1. Из каких элементов состоит диафрагма?

2. Назовите основные конструктивные типы диафрагм. Как диафрагмы устанавливаются в цилиндр?

3. Какой формы может быть разъем диафрагмы?

4. Для чего и где применяются регулирующие диафрагмы?

1. Для чего предназначены обоймы диафрагм?

2. Как диафрагмы закрепляются в корпусе цилиндра?

3. Назовите характерные дефекты, наиболее часто встречающиеся при ревизии и ремонте диафрагм и обойм.

4. Каковы основные причины повреждений входных и выходных кромок лопаток диафрагм?

5. Какие контрольные замеры необходимо провести до выемки ротора турбины?

10. Какие основные операции производятся в процессе ревизии обойм и диафрагм?

11. Каким методом можно определить состояние заделки лопаток в тело диафрагм?

12. Какими методами восстанавливают промывы лопаток диафрагм?

13. Как определить величину тепловых зазоров между диафрагмами и пазами цилиндров, в который они устанавливаются?

14. Что необходимо учитывать (какие поправки) при проверке и исправлении центровки диафрагм?

15. Какие элементы и почему выбираются за базу при определении взаимного пространственного положения деталей статора и ротора?

16. Какие приспособления могут использоваться при центровке деталей статора турбины?

17. Какие поправки необходимо учитывать при определении величины перемещения деталей проточной части?

18. Как осуществляется перемещение диафрагмы для исправления ее положения относительно оси ротора?

Глава 5

5. Ремонт уплотнений

5.1. Типовые конструкции и основные материалы

В паровых турбинах применяются несколько видов уплотнений: концевые, диафрагменные, уплотнения рабочей решетки, маслоотбойные уплотнения [7, 10, 11, 15, 55...61].

Концевые уплотнения устанавливаются в местах выхода концов ротора из корпуса цилиндра и служат для предотвращения протечек пара из цилиндров и для устранения подсоса воздуха во внутренние полости цилиндров (если давление в них меньше барометрического).

Диафрагменные уплотнения служат для уменьшения перетекания пара с одной стороны диафрагмы на другую в местах прохода вала.

Уплотнения рабочей решетки, включающие в себя надбандажные и осевые уплотнения, предназначены для уменьшения потерь от утечек пара в ступени.

Маслоотбойные уплотнения установлены в корпусах подшипников и служат для предотвращения протечек масла из подшипника вдоль вала.

В паровых турбинах исторически применялись концевые уплотнения трех типов: металлические, гидравлические и графитно-угольные. В современных турбинах большой единичной мощности применяются только металлические лабиринтовые уплотнения.

Гидравлическое уплотнение, показанное на рис. 5.1, представляет собой гидравлический затвор, препятствующий проникновению воздуха в цилиндр или протечкам пара из цилиндра. Уплотнение состоит из лопастного колеса, закрепленного на валу и вращающегося в кожухе. С каждой стороны кожуха расположено по несколько уплотнительных колец. При работе турбины в кожух подводится вода под давлением. Вращающееся лопастное колесо увлекает за собой воду, отбрасывает ее к периферии и образует водяное кольцо, которое предохраняет от попадания воздуха в турбину или от протечки пара из нее.

Водяное уплотнение начинает действовать только при частоте вращения ротора выше 1000 об/мин. При неподвижном роторе и во время прогрева турбины на малых частотах вращения к водяному уплотнению необходимо подводить пар. Недостатком гидравлических уплотнений являются также значительные потери мощности.

Угольные уплотнения применялись в турбинах при небольшой разнице давлений по обе стороны уплотнения (до 0,5 МПа) и при невысокой окружной скорости вала (до 30.. .50 м/сек).

К онструкция угольных уплотнений представлена на рис. 5.2. На вал насажена чугунная или стальная втулка, на которой расположены шесть угольных колец (в различных конструкциях число колец от 3 до 8), разрезанных каждое на три—четыре сегмента. Сегменты стянуты спиральной пружиной 2 и поддерживаются плоскими пружинками 6, предотвращающими передачу веса колец на вал. Угольные кольца вставлены в "г-образные" чугунные или стальные обоймы 3. Угольные кольца удерживаются от вращения стопорными пластинками 5, входящими в стык сегментов. Между валом и кольцами должен быть зазор, величина которого зависит от диаметра вала, температуры пара и места установки кольца. При температурах пара не выше 350 °С принято устанавливать величину зазора равную 0,02 мм на каждые 10 мм диаметра вала для первого снаружи кольца и 0,03 мм на каждые 10 мм диаметра вала для последнего кольца, работающего в самой горячей зоне; зазоры промежуточных колец возрастают в этих пределах.

В

Рис. 5.1. Конструкция гидравлического уплотнения

некоторых конструкциях зарубежных фирм применяются концевые уплотнения и уплотнения диафрагм (рис. 5.3), в которых лабиринтовые гребни (усики) втулок, насаженных на вал, работают против угольных вкладышей, установленных в корпусе турбины. При сборке установка уплотнения производится без зазоров между гребнями и угольными вкладышами; в процессе работы гребни протачивают во вкладышах небольшие канавки, в которых и происходит дросселирование пара.

Лабиринтовые уплотнения являются наиболее распространенным типом уплотнений, в котором происходит многократное изменение направления потока пара и расширение в камерах уплотнения после прохода через узкие щели, что сопровождается потерей давления и уменьшением утечки. Конструктивно лабиринтовые уплотнения представляют собой (рис. 5.4,а) ряд сужений — зазоров между усиками и ротором, чередующихся с относительно широкими камерами между усиками, в которых энергия скорости, приобретенная в сужениях, переходит в тепловую энергию. Канавки на роторе (рис. 5.4,б), в которые входят чередующиеся с короткими длинные усики, создают ломаную траекторию струи, поворот ее в каждой камере способствует гашению скорости и, следовательно, уменьшению расхода утечки вдоль уплотнения. Такая конструкция лабиринтового уплотнения требует более тщательного определения осевого положения колец уплотнений относительно ротора и приводит к увеличению его линейных размеров.

В турбинах применяются различные конструкции лабиринтов, имеющие целью сокращение длины уплотнения или размещение большого числа гребешков на данной длине. На рис. 5.5 в качестве примера представлены конструкции лабиринтов, применяемые различными заводами-изготовителями турбин.

Р ис. 5.2. Угольное уплотнение:

1 — кольцо угольное; 2 — пружина; 3 — обойма; 4 — кольцо с отверстиями; 5 — стопорная пластинка; 6 — пружина для поддержки колец; 7 — втулка

_________________________________________________________________________________________________________________________________

Концевые уплотнения и уплотнения диафрагм у большинства турбин отечественного производства имеют уплотняющие гребни на неподвижной части уплотнений, а на соответствующих им местах вала ротора — канавки. Исключение составляют только ЦВД и ЦСД турбин К-300-240 ЛМЗ, К-800-240 ЛМЗ и турбины КТЗ, у которых гребни концевых уплотнений завальцованы на валу ротора, а на неподвижной части выполнены соответствующие им канавки.

Конструкцию концевых уплотнений рассмотрим на примере уплотнений турбин ТМЗ, показанных на рис. 5.6. Уплотнение образовано усиками, расположенными на статоре, а также выступами и впадинами прямоугольного сечения, выполненными на роторе. Усики на статоре располагают в уплотнительных кольцах, составленных из четырех или шести сегментов, заведенных в пазы обоймы 2. "т-образные" хвостовики сегментов прижимаются к опорной поверхности "т-образных" пазов расточки обоймы с помощью плоских пружин 6, а также под давлением пара, поступающим в полость расточки паза через специальные отверстия или фрезерованные канавки со стороны высокого давления уплотнительного кольца. В осевом направлении уплотнительное кольцо прижимается за счет перепада давления пара к торцевой поверхности паза, в результате этого перетечки пара через паз практически исключаются.

Несколько уплотнительных колец, установленных в обойме, образуют отсек уплотнения. Между отсеками располагаются камеры для отвода или подвода пара. В зависимости от давления перед концевым уплотнением число камер в них составляет от 2 до 5.

Для безопасной работы турбины толщина гребней уплотнений в зоне возможного контакта с ротором должна быть 0,2...0,3 мм. Уплотняющие гребни могут изготавливаться заодно с телом сегментов уплотнений или выполняться наборными и зачеканиваться в пазы сегментов (рис. 5.7). Ширина паза, в который устанавливается уплотняющий гребень, обычно составляет не менее 1 мм (технологически невозможно проточить паз в теле сегмента уплотнений меньшей ширины).

О боймы концевых уплотнений предназначены для установки в них уплотнительных колец и образования кольцевых камер, из которых отводится прошедший у вала пар (или подводится). По своей конструкции, способу центровки в корпусах цилиндров и по характеру воспринимаемых нагрузок обоймы уплотнений аналогичны обоймам диафрагм, описанным в разделе 4.

Вал турбины

Рис. 5.3. Лабиринтовые уплотнения с угольными втулками Рис. 5.4. Схема работы лабиринтового уплотнения

Рис. 5.6. Уплотнение конструкции ТМЗ:

1 — кольцо уплотнительное из четырех сегментов; 2 — обойма уплотнений из двух половин;

3 — шпонка радиальная; 4 — пластина стопорная; 5 — винт опорный; 6 — плоская пружина

Рис. 5.7. Конструкции наборных гребней уплотнений:

а, г — установка тонких уплотняющих гребней с промежуточным телом; б— заготовка уплотняющего гребня;

в, д, е — установка уплотняющего гребня, выполненного по ширине паза

У ряда турбин температура паровоздушной смеси в крайних камерах уплотнений значительно отличается от температуры в соседних камерах. Например, в турбине К-300-240 ХТЗ температура паровоздушной смеси в крайних камерах уплотнений (90 °С) и подводимого в предпоследнюю камеру "холодного" пара (160 °С) на номинальном режиме работы турбины намного ниже, чем в соседних камерах отбора ЦВД (t = 245 °С на стороне выхлопа и t = 305 °С на стороне паровпуска) и ЦСД (t = 438 °С). Выполнение этих камер в корпусах цилиндров привело бы к значительным термическим напряжениям в этих зонах и неизбежным деформациям корпусов с раскрытием разъема у роторов. В связи с этим последние (одна или несколько) камеры часто выделяют в отдельные корпуса уплотнений, присоединяемые к торцам корпусов цилиндров. Такие корпуса концевых уплотнений устанавливаются на вертикальные разъемы цилиндров с помощью фланцев и замыкают паровое пространство цилиндров. На рис. 5.8 представлен сварно-литой корпус концевого уплотнения ЦСД турбины К-500-240 ХТЗ, состоящий из двух частей — верхней и нижней, стягиваемых по горизонтальному разъему болтами. В каждой из частей имеются приливы двух симметрично расположенных патрубков, к которым привариваются трубы подвода уплотняющего пара и отсоса паровоздушной смеси.

В большинстве турбин уплотнительная часть передних и задних лабиринтовых уплотнений отличается количеством и шагом уплотнительных усиков. На рис. 5.9 в качестве примера приведены конструкции концевых уплотнений ЦВД, ЦСД и ЦНД турбины К-500-240 ХТЗ.

Выбор марки материала, применяемого для изготовления элементов уплотнений, определяется температурой и давлением рабочей среды [7, 15, 55, 61].

Материалом для уплотнительных гребней лабиринтовых уплотнений, работающих при температуре до 250 °С, служит латунь марки Л68М; при температурах до 400 °С — нейзильбер марки МНЦ15-20; при температурах до 500 °С — монель-металл марки НМЖМц28-2,5-1,5; при температурах до 600 °С — сталь марок Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. При выборе материалов необходимо обратить внимание на их твердость, поэтому целесообразно применять сталь марки 08X18Н9Т — с твердостью не более 110 НВ и латунь марки Л68М — мягкую, а не Л68.

Р ис. 5.8. Сварно-литой корпус концевого уплотнения турбины К-500-240 ХТЗ:

1,2 — верхняя и нижняя части корпуса; 3 — стержень-стяжка; 4 — труба; 5 — болт; 6,7 — профильные кольца; 8 — камера подвода уплотняющего пара; 9 — камера отсоса паровоздушной смеси; 10 — присоединительный плоский фланец; 11 — кольцевая щель

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Плоские пружины уплотнений для температур до 400 °С изготавливаются из стали 40X13, а для температур до 600 °С — из стали ЭИ-612 (Х15Н35БЗТ).

Обоймы уплотнений изготавливаются из стальных поковок или чугунного литья. Обоймы современных турбин, работающие в зоне высоких температур, обычно изготавливаются из стали марок 15Х1М1Ф-Л, 20ХМФ-Л, а обоймы, работающие в зоне средних температур, — из стали 25Л.

Корпуса концевых уплотнений выполняются литыми из стали марок 15Х1М1Ф-Л, 20ХМФ-Л, 20Л для цилиндров высокого и среднего давления и сварными из Ст. 20 для выхлопных частей ЦСД и ЦНД.

В качестве материала для шпилек и гаек обойм, работающих в зоне высоких температур, применяется сталь марки ЭП-182 (20Х1М1Ф1ТР), а работающих в условиях средних температур — сталь марки ЭИ-10 (25Х1МФА). Специальные установочные шпонки и мелкий крепеж изготавливаются из стали марки 1Х12ВНМФ.

Конструкция диафрагменных уплотнений аналогична конструкции концевых уплотнений. Уплотнение обычно состоит из одного или нескольких составных колец, которые вставлены в фасонные канавки, проточенные по внутреннему диаметру диафрагмы. Кольца снабжены уплотнительными гребешками различных типов. Кольца с гребешками составлены из нескольких сегментов и прижимаются к опорным выступам пазов расточки диафрагмы при помощи пружин, как показано на рис. 5.10. В плоскости разъема турбины кольца предохраняются от проворачивания стопорной пластинкой.

На рис. 5.11 показаны примеры конструкций надбандажных уплотнений турбин ЛМЗ¹. Уплотнение, показанное на рис. 5.11,а, применяется для ЦВД и ЦСД. В обойме 1 выполнены кольцевые проточки типа "ласточкина хвоста", в которые заведены вставки 2 из мягкого армкожелеза, а на бандажной ленте выточены гребешки 3. Для ступеней с длинными лопатками используют уплотнение (рис. 5.11,6) с уплотняющими гребешками, которые вставлены в кольцевые выточки на козырьке 4 диафрагмы. Виброустойчивое уплотнение, показанное на рис. 5.11,6, предназначено для исключения аэродинамических самовозбуждающихся сил, вызывающих низкочастотную вибрацию валопровода.

ТМЗ использует в ряде своих турбин осерадиальные надбандажные уплотнения, также предназначенные для устранения аэродинамических сил, вызывающих низкочастотную вибрацию.

Применение этого типа уплотнений повышает экономичность проточной части из-за уменьшения их повреждаемости в процессе эксплуатации в результате увеличения зазоров. На рис. 5.12 в качестве примера показаны конструкция и основные размеры осерадиальных уплотнений для части высокого давления турбины Т-250/300-240.

Аналогичные конструкции виброустойчивых (осерадиальных) уплотнений применяет в своих новых серийных турбинах ХТЗ, а ЦКБ "Энергопрогресс" разработал проекты реконструкции турбин большой мощности с целью повышения устойчивости к низкочастотной вибрации роторов высокого и среднего давления путем применения осерадиальных уплотнений.

_________________

¹ С момента создания турбины конструкция надбандажных уплотнений претерпела несколько реконструкций с целью повышения их надежности и экономичности: металлокерамические вставки были заменены на вставки из мягкого армкожелеза, трапециедальная их форма менялась на корытообразную, в трапециедаль-ные вставки врезались дополнительные усы (модификация корытообразных вставок). Реконструкции подвергались также надбандажные уплотнения большинства типов турбин ЛМЗ, ХТЗ, ТМЗ. В настоящее время все заводы применяют в новых конструкциях своих турбин и предлагают для реконструкции турбин, находящихся в эксплуатации, примерно одинаковые по конструкции виброустойчивые надбандажные уплотнения.

Рис. 5.9. Конструкции концевых уплотнений ЦВД, ЦСД и ЦНД турбины К-500-240 ХТЗ:

а — переднее концевое уплотнение ЦВД; б — заднее концевое уплотнение ЦВД (сторона паровпуска); в — переднее концевое уплотнение ЦСД; г — заднее концевое уплотнение ЦСД; д — концевое уплотнение ЦНД; / — корпус переднего концевого уплотнения ЦВД; 2 — обойма № 2 переднего концевого уплотнения ЦВД; 3 — внешний корпус ЦВД; 4 — обойма № 1 переднего концевого уплотнения ЦВД; 5 — обойма № 1 заднего концевого уплотнения ЦВД; 6 — внутренний корпус ЦВД; 7 — обойма № 2 заднего концевого уплотнения ЦВД; 8, 9,10 — обоймы № 3, 4, 5 заднего концевого уплотнения ЦВД; 11 — корпус заднего концевого уплотнения ЦВД (сторона генератора); 12 — кольцо уплотнений из четырех сегментов; 13 — корпус переднего концевого уплотнения ЦСД; 14 — внешний корпус ЦСД; 15 — обойма № 3 переднего концевого уплотнения ЦСД; 16 — обойма № 2 переднего концевого уплотнения ЦСД; 17 — внутренний корпус ЦСД; /8 — обойма № 1 переднего концевого уплотнения ЦСД; 19, 20 — обоймы №1,2 заднего концевого уплотнения ЦСД; 21 — корпус заднего концевого уплотнения ЦСД; 22 — корпус концевого уплотнения ЦНД; 23 — корпус ЦНД

Рис. 5.10. Способы крепления колец уплотнений в расточке обоймы

Рис. 5.11. Конструкции надбандажных уплотнений турбин ЛМЗ:

а — надбандажное уплотнение ЦВД и ЦСД с металлокерамическими вставками; б — надбандажное уплотнение с усиками уплотнений, за-чеканенными в козырек диафрагмы; в — виброустойчивое надбандажное уплотнение ЦВД и ЦСД; 1 — обойма; 2 — вставка; 3 — бандаж; 4 — козырек диафрагмы

Р ис. 5.12. Конструкция осерадиальных уплотнений для части высокого давления

турбины Т-250/300-240 ТМЗ: а — установка усов уплотнения в сегменты вставки; б — установка усов уплотнения в козырек диафрагмы

_______________________________________________