Модернизация концевых уплотнений ЦНД турбины К-1000-60/1500-2 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС

УДК 621.039.5

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ ЦНД ТУРБИНЫ К-1000-60/1500-2

© 2012 г. В.П. Пасько, В.Г. Бекетов

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

Поступила в редакцию 20.11.2012 г.

Рассмотрен опыт применения уплотнений на турбинах АЭС, предложена конструкция

сотового концевого уплотнения ЦНД турбины К-1000-60/1500-2, выполнено

количественное сравнение пропускной способности концевого уплотнения ЦНД турбины

К-1000-60/1500-2 лабиринтного и сотового типа.

Ключевые слова: лабиринтные уплотнения, сотовые уплотнения.

Эксплуатация турбин К-1000-60/1500-2 характеризуется наличием ряда объективных факторов (потерь), снижающих их надежность и экономичность работы. Все потери, возникающие при эксплуатации турбоустановки, можно разделить на две группы:

- потери внутренние, т.е. потери, непосредственно влияющие на изменение состояния рабочего тела при его расширении в турбине (потери в диафрагмах, на рабочих лопатках, потери с выходной скоростью, потери на трение диска и вентиляцию, потери от влажности пара, потери в выхлопном патрубке, потери за счет перетоков пара между ступенями цилиндров через конструктивные зазоры в проточной части);

- потери внешние, т.е. потери, которые не влияют на изменение состояния рабочего тела при его расширении в турбине (механические потери и потери от утечек пара (через концевые уплотнения ЦВД и ЦНД), а также потери, обусловленные присосами воздуха в конденсаторы турбин).

Система уплотнений турбины К-1000-60/1500-2 предназначена для предотвращения потерь от непроизводительных перетоков, протечек пара в машзал и присосов воздуха в конденсаторы турбины и включает в себя:

- уплотнения в проточной части (надбандажные и диафрагменные уплотнения), предназначенные для исключения или снижения потерь от перетоков пара помимо рабочих колес и сопловых аппаратов в проточной части ЦВД и ЦНД;

- систему концевых уплотнений, предназначенную для предотвращения выхода пара в машзал и обводнения масла в подшипниках, исключения попадания воздуха из машзала в вакуумную систему через кольцевые конструктивные зазоры в местах выхода вала турбины из цилиндров.

В конструкциях паровых турбин для АЭС используются три вида уплотнений: концевые, диафрагменные и уплотнения рабочей решётки (надбандажные и осевые). Уплотнения предназначены, прежде всего, для обеспечения минимума утечек пара. Поэтому зазоры в уплотнениях должны быть минимально допустимыми с учётом соображений надежности при касании подвижных и неподвижных частей турбоагрегата. При задеваниях зазоры увеличиваются из-за срабатывания гребней, а также возможно появление теплового остаточного прогиба ротора. Это происходит в

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2012

основном в начальный период эксплуатации, поэтому турбина практически весь межремонтный период работает с пониженной экономичностью. Кроме того, уплотнения должны быть ремонтопригодными и легко заменяться в условиях электростанции. Широко применяемые уплотнения с гребнями не в полной мере соответствуют перечисленным требованиям. Во-первых, они легко истираются при задеваниях, недостаточно надежны и требуют больших затрат при ремонте. Кроме того, при движении влажного пара отмечается явление эрозийного износа поверхности вала в местах расположения гребней, а также образование отложений на сегментах диафрагм и гребнях, которые нивелируют остроту кромок гребней, способствуя увеличению утечки пара. Статистика изменения величины зазоров в ремонтных формулярах, полученная замерами при выходе агрегатов в ремонт, показывает значительное увеличение зазоров (иногда в два и более раза).

Концевые уплотнения ЦНД служат для предотвращения подсосов воздуха в вакуумную систему турбины и связанных с этим ухудшением вакуума, повышенными выбросами радиоактивных аэрозолей в атмосферу. Узлы концевых уплотнений ЦНД состоят из трех уплотнительных колец с каждой стороны цилиндра, образующих две камеры: камеру подвода уплотняющего пара (А) и камеру отсоса пароводяной смеси (ПВС). Благодаря существующему перепаду давлений между камерой А и смежными полостями (часть подаваемого на уплотнения пара поступает в выхлопной патрубок ЦНД, вторая часть - в камеру отсоса ПВС, откуда вместе с проникающим извне воздухом отсасывается эжектором уплотнений. Конструктивно концевое уплотнение ЦНД - лабиринтовое уплотнение с гребнями. Уплотнение представляет собой составное кольцо, образованное двадцатью идентичными сегментами с шириной активной части 106 мм. Сегменты уплотнительного кольца прижимаются пластинчатыми пружинами к заплечикам паза обоймы уплотнений, поддерживая установленный монтажный зазор (0,7 мм) между валом и кромкой гребня. При работе турбоустановки на мощности сегменты кольца прижимаются в сторону ротора к заплечикам паза не только под действием прижимных усилий пружин, но и гидростатическим усилием от перепада давления, действующего на сегмент.

В теле каждого сегмента уплотнения ЦНД выполнены девять параллельных продольных проточек, в которые зачеканиваются латунные гребни толщиной 2 мм. Выступающая часть имеет на конце заострение 0,3 мм (минимальное сужение). Вал ротора в месте уплотнений гладкий, без проточек, что обусловлено большими относительными тепловыми перемещениями роторов ЦНД.

Действующий парк паротурбинных установок, установленных на ТЭЦ и АЭС, устарел физически и морально. Кроме того, в последние годы на них не проводились плановые всеобъемлющие ремонтные работы. Поэтому показатели КПД в среднем отклоняются от нормальных на величину до 5 %, а в некоторых случаях - до 10 %. И

это только за счет уменьшения КПД ^ , который учитывает большое количество видов

потерь в рабочем процессе действующей турбины по сравнению с идеальной, работающей без потерь. Среди всех видов потери на утечки теплоносителя через зазоры приобретают особенно большое значение и могут оказаться решающими при снижении экономичности турбоагрегата. Требования улучшения экономических показателей турбомашин с высокой степенью надежности в основном противоречивы и обусловливают необходимость оптимального проектирования элементов проточной части, в частности уплотнений валов и лопаточного аппарата. При этом тенденция уменьшения зазоров между неподвижными и вращающимися частями турбоустановок ограничивается критериями надежности, которые зависят от существенно различающихся факторов. По объективным причинам зазоры в период эксплуатации

увеличиваются, и задачей для ремонтного персонала является восстановление их значений до начального уровня.

Все передовые турбостроительные фирмы ведут поиск и исследования по созданию новых конструктивных схем уплотнений. Так, фирма «General Electric» разрабатывает щеточные уплотнения, японские специалисты ведут работы с регулируемыми уплотнениями. В нашей стране разработаны приоритетные, так называемые, сотовые уплотнения для паровых турбин, причем они могут быть использованы как надбандажные, диафрагменные или концевые.

Сотовые уплотнения применяются, начиная с 60-х гг., в газотурбинных двигателях и газотурбинных установках различного назначения. В паровых турбинах сотовые уплотнения активно внедряются в проточные части с середины 90-х гг. на более чем 30-ти тепловых электростанций. Опыт применения и результаты теоретических исследований позволяют констатировать, что уплотнения сотового типа являются в настоящее время наиболее перспективным классом уплотнений.

Основным преимуществом уплотнений этого типа перед лабиринтовыми с гребнями является надежность. Сотовые уплотнения в процессе эксплуатации подвергаются значительно меньшему износу: касание (задевание) валом уплотняющих поверхностей не наносит ущерба работоспособности конструкции уплотнения и валу турбины, т.к. задевание вала происходит с развитой поверхностью ячеистой структуры, изготовленной из никелесодержащей фольги ХН70ЮШ. Благодаря этому, в частности, обеспечивается интенсивный теплоотвод от пятна контакта вала с ячейками, что исключает возможность нанесения валу термических повреждений. Оригинальные свойства указанных уплотнений позволяют получить экономический эффект от внедрения в проточную часть за счет увеличения КПД при увеличении мощности паровой турбины. Срок окупаемости в зависимости от объема оснащения турбины сотовыми уплотнениями [1] составляет от 1 до 2,5 лет.

Применение сотовых уплотнений возможно на всех действующих турбинах, выпускаемых предприятиями: ЛМЗ, УТМЗ, КТЗ, ХТГЗ.

Опыт освоения мощных энергоблоков показал, что на некоторых станциях наблюдалось обводнение масла в системе смазки турбины, что приводило к ухудшенному вакууму в конденсаторе. Это явление полностью или частично объясняется неудовлетворительной работой концевых уплотнений: пропариванием в машинный зал или подсосами воздуха в проточную часть турбины. При этих обстоятельствах не обеспечивалась автоматическая работа системы уплотнений, а расход пара на уплотнения приходилось регулировать вручную путем изменения давления в коллекторе подачи.

Внедрение сотовых уплотнений стабилизирует зазоры, сокращает утечки теплоносителя, а также снижает подсосы воздуха в конденсатор и сводит к минимуму обводнение масла в подшипниках турбомашин, расположенных в области концевых уплотнений. Применение сотовых уплотнений вместо традиционных уплотнений с гребнями упрощает технологический процесс ремонта как самих уплотнений, так и роторов паровых турбин (без проточки в местах эрозийного износа влажным паром поверхности роторов под гребнями). Следует учесть, что внедрение сотовых уплотнений не требует коренного изменения их конструкции и может осуществляться доработкой уплотнительных узлов эксплуатируемых турбин при очередном капитальном ремонте. Большим преимуществом предлагаемых конструкций сотовых уплотнений является то, что даже при срабатывании сотовых вставок из-за задеваний в проточной части эти уплотнения практически превращаются в осерадиальные и начинают функционировать как последние. Замена сотоблоков в случае необходимости не представляет больших трудностей. Следует отметить, что максимальный

положительный результат от применения сотовых уплотнений в проточной части турбины для АЭС может быть получен при оптимизации, как конструкции уплотнений, так и геометрических характеристик сотовых ячеек.

Отработка сотовой структуры для турбин АЭС, работающих на влажном паре, осуществлялась на аэродинамическом стенде БГТУ [2, 3]. Геометрия моделей сотовых уплотнений (в виде щелей, одна стенка которых - гладкая, другая - сотовая поверхность) при различных геометрических соотношениях величин диаметра окружности вписанной в ячейку (диаметра ячеек) (ёя), глубины ячейки (Ья) и зазора в уплотнении (5). При испытаниях установлено снижение на 20...30 % расхода утечки в области характеристики Ья/— « 0,3. Это объясняется взаимодействием пространственных потоков в щели и ячейке, что подтверждается многочисленными экспериментами на различных сотовых структурах в широком диапазоне режимных параметров течения в уплотнениях. По результатам проведенных экспериментов рекомендованы следующие оптимальные соотношения геометрических параметров

шестигранных ячеек: —^ = 4,0; —1- = 3,5.

5

Использование «глубоких» ячеек оправданно с точки зрения сохранения их при значительных врезаниях при касании вращающимися частями турбоустановок, т.е. при существенном изменении зазора в процессе эксплуатации. Это присуще периферийным уплотнениям ступеней большого диаметра, особенно для газовых турбин, вследствие температурных расширений корпусов. Валы роторов имеют значительно меньшие диаметры и небольшие изменения радиальных зазоров в процессе эксплуатации. Поэтому для уплотнения валов можно использовать «неглубокие» соты (—/ёя « 0,3.0,5) [5] с наибольшей (оптимальной) газодинамической эффективностью и минимально допустимыми зазорами.

Лабиринтное концевое уплотнение ЦНД, подлежащее замене, изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Лабиринтное концевое уплотнение ЦНД.

Для концевых уплотнений ЦНД турбины К-1000-60/1500-2, автором разработана конструкция сотового типа, изображенная на рисунках 2 и 3. Ячеистая структура образована сотоблоками ФГУП «ПНН «Мотор» (г. Уфа) с параметрами:

- соты - шестигранная ячейка, диаметр вписанной окружности d = 2,5 мм;

- высота ячейки d = 7,0 мм;

- толщина стенок ячейки d = 0,5 мм.

На рисунке 2 изображена конструкция сотового концевого уплотнения ЦНД, предназначенного для замены существующего лабиринтного уплотнения. Гребни вала турбины закрыты бандажами. На существующие крепления лабиринтного уплотнения устанавливаются сотоблоки. Конструкция сегмента сотового концевого уплотнения ЦНД вместе с бандажом изображена на рисунке 3. Зазор между сотовым уплотнением и демпфером вала принят равным существующему (0,7 мм), но рассматривалась возможность уменьшить радиальный зазор до 0,5 мм, т.к. по результатам испытаний концевых уплотнений сотового типа ЦНД турбины К-500-65/3000 на Смоленской АЭС [1] допускается назначение величины радиального зазора 0,5 мм.

110

Рис. 2. Конструкция сотового концевого уплотнение ЦНД.

При использовании предложенной конструкции ожидаются следующие технико-экономические результаты:

1) Упрощается процесс восстановления зазоров по валу турбомашины в период ремонта, который заключается лишь в наборе пластин с сотоблоками, поставляемых на станцию с запасными частями.

2) Монтажный зазор в уплотнении минимизируется и остается стабильным в процессе эксплуатации, что уменьшает утечку рабочего тела и повышает экономичность турбоустановки.

3) Применение сотоблоков в концевых уплотнениях паровых турбин снижает расход уплотняющего пара, а также пропаривание (обводнение масла) и подсос воздуха в конденсатор турбины.

4) Сотовая структура, являясь достаточно жёсткой, сохраняет целостность при касании вала в процессе разборки-сборки турбины в период ремонтов.

Рис. 3. Сегмент сотового концевого уплотнение ЦНД.

В процессе реконструкции концевых сотовых уплотнений необходимо выполнить следующие работы:

- произвести проточку уплотнительных поверхностей роторов в местах установки концевых сотовых уплотнений;

- произвести подгонку и установку сотовых вставок на место штатных сегментов концевых уплотнений с учетом центровки (объём работ соответствует ремонту штатных концевых уплотнений с заменой 100 % сегментов).

Выполнено сравнение эффективности лабиринтного и сотового концевого уплотнения на расчетных моделях. Для чего осуществлено численное решение дифференциальных уравнений гидродинамики потока с помощью профессионального программного комплекса ANSYS, который позволяет решать полные трехмерные нестационарные дифференциальные уравнения сжимаемых и несжимаемых ламинарных и турбулентных течений ньютоновских и реологических жидкостей.

Для описания гидродинамических процессов, происходящих в уплотнении, используем двухпараметрическую дифференциальную SST модель (Shear Stress Transport - модель переноса напряжений сдвига). SST модель является расширением стандартной k-s модели турбулентного потока (совмещенный анализ кинетической энергии турбулентности и диссипации кинетической энергии турбулентности).

Для получения гидравлической характеристики уплотнения была построена трехмерная конечно-элементная модель. Выполнен расчет лабиринтного уплотнения между камерой подвода уплотняющего пара и камерой отсоса паровоздушной смеси. Расчет выполнен для лабиринтного концевого уплотнения после ППР, т.е. уплотнение не имеет механических дефектов и зазоры выставлены максимально точно. Движение потока в лабиринтном концевом уплотнении приведено на рисунке 4, а в сотовом - на рисунке 5. В результате расчета лабиринтного уплотнения между камерой подвода уплотняющего пара и камерой отсоса паровоздушной смеси, определено, что

коэффициент гидравлического сопротивления уплотнения равен С = 38350, что при зазоре 0,7 мм и перепаде давлений 10 кПа (106000 - 96000 Па) приводит к расходу запирающего пара через одно уплотнение О = 263,8 кг/час.

Рис. 4. Скорости и линии тока в лабиринтном концевом уплотнении.

В результате расчета сотового уплотнения между камерой подвода уплотняющего пара и камерой отсоса паровоздушной смеси, определено:

- при зазоре 0,7 мм коэффициент гидравлического сопротивления уплотнения равен С = 63100, что при перепаде давлений 10 кПа (106000 - 96000 Па) приводит к расходу запирающего пара через одно уплотнение О = 205,7 кг/час;

- при зазоре 0,5 мм коэффициент гидравлического сопротивления уплотнения равен С = 178500, что при перепаде давлений 10 кПа (106000 - 96000 Па) приводит к расходу запирающего пара через одно уплотнение О = 122,3 кг/час.

Рис. 5. Скорости и линии тока в сотовом концевом уплотнении.

Следовательно:

- при одинаковой ширине уплотнения и одинаковых зазорах расход пара через сотовое уплотнение на 22 % меньше расхода через лабиринтное уплотнение;

- при одинаковой ширине уплотнения расход пара при зазоре 0,5 мм через сотовое уплотнение на 46 % меньше расхода через лабиринтное уплотнение при зазоре 0,7 мм;

- учитывая, что в процессе эксплуатации между плановыми капитальными ремонтами расход пара через сотовое уплотнение возрастает в среднем на 4 %, а через лабиринтное - на 16 %, эффект от замены лабиринтных уплотнений на сотовые будет больше вышеприведенных значений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Салихов, А.А., Юшка, М.П., Ушинин, С.В. Применение сотовых уплотнений на турбинах [Текст] / А.А. Салихов ; М.П. Юшка ; С.В. Ушинин // Электрические станции. - 2005. - № 6. -С. 22-26.

2. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах [Текст] / В.Т. Буглаев. - Брянск : БГТУ, 2006. - 192 с.

3. Буглаев, В.Т. Влияние конструктивных параметров сотового уплотнения на его аэродинамические характеристики [Текст] / В.Т. Буглаев ; В.Т. Перевезенцев ; Д.В. Даниленко // Энергомашиностроение. - 2003. - № 9. - С. 25-29.

4. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах [Текст] / В.Т. Буглаев. - Брянск : БГТУ, 2002. - 148 с.

5. Речкоблит, А.Я. Исследование влияния размеров сотовых ячеек на эффективность уплотнительных устройств с различными вращающимися элементами [Текст] / А.Я. Речкоблит. Тр. ЦИАМ. №1156. - 1985. - 11 с.

6. Чайлдз, Элрод, Хейл. Экспериментальные данные по утечке и динамическим коэффициентам кольцевых сотовых уплотнений. Сравнение с лабиринтными и гладкими уплотнениями [Текст] / Чайлдз, Элрод, Хейл // Современное машиностроение. - серия А. - 1989. - № 11. - С. 105113.

7. Methodology ANSYS-CFX. Version 10.0. London, Computational Dynamics, 2005.

Modernization of end-compactings of turbine LPC (low pressure cylinder) K-1000-60/1500-2

V. P. Pasko, V. G. Bekhetov

Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenina St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360

e-mail: VGBeketov@mephi.ru

Abstract - The experience of using the NPP turbine compactings is considered, the construction of honeycomb end-compactings of turbine LPC (low pressure cylinder) K-1000-60/1500-2 is proposed. Quantitative comparison of passing capacity of end-compactings for turbine LPC (low pressure cylinder) K-1000-60/1500-2 (labyrinth and honeycomb types) is done.

Keywords: labyrinth compactings, honeycombs compactings.