Меню сайта

загрузка...

Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Паровые турбины. Часть 1

Концевые уплотнения турбин

Процесс протекания пара в лабиринтовом уплотнении и расчет расхода пара через уплотнения был рассмотрен в § 4.3. Рассмотрим, как организуется протечка пара в концевых уплотнениях, как они конструктивно устроены,

конденсационной турбины показан на схеме трубопроводов лабиринтового пара (рис. 5.13).

В части высокого давления турбины (цилиндр а) пар течет слева направо и далее направляется к середине двухпоточной части низкого давления. Уплотнения съ и с4 в цилиндре низкого давления защищают от проникновения атмосферного воздуха в выходные патрубки и конденсатор турбины. При всех нагрузках в выходных патрубках поддерживается глубокий вакуум. В корпусе высокого давления перед уплотнениями с, и с2 давление пара изменяется пропорционально количеству пара, протекающего через турбину (см. гл. 7). Поэтому перед уплотнением с2 может быть избыточное давление при значительных нагрузках, а также разрежение при уменьшенных пропусках пара. Перед уплотнением сх при большинстве нагрузок давление выше атмосферного, однако даже и здесь при полном закрытии регулирующих клапанов (например, в случае внезапного сброса нагрузки) давление может понизиться до давления в конденсаторе.

Как показано на схеме на рис. 5.13, из промежуточных камер всех уплотнений отведены паропроводы, которые соединены в общую магистраль /*. По этой магистрали пар, при значительных нагрузках вытекающий из уплотнений сх и с2, направляется к уплотнениям с3, с4 и, протекая через эти уплотнения в цилиндр низкого давления, препятствует просачиванию воздуха в конденсатор.

При больших нагрузках турбины количество пара, вытекающего из уплотнений сх и с2, может оказаться слишком большим для уплотнений цилиндра низкого давления. В этом случае избыточное количество пара может выходить в помещение. Чтобы исключить чрезмерное парение, магистраль лабиринтового пара соединена с помощью клапанов # с трубопроводом е, по которому избыток пара отводится в конденсатор турбины или удаляется специальным эжектором.

При малых нагрузках турбины благодаря понижению давления перед уплотнениями с и с2 количество вытекающего из них пара уменьшается, а уплотнение с2 может, как мы видели, оказаться даже под разрежением. Таким образом, при малых нагрузках турбины уплотняющего пара станет недостаточно. В этом случае в магистраль / добавляется свежий пар через клапан й.

Пунктирные линии на рис. 5.13 показывают дренажи цилиндров турбины. Клапан / на дренажах открывают при прогреве турбины, когда входящий в турбину пар, омывая холодные стенки корпуса и ротора турбины, интенсивно конденсируется. Образующийся при этом конденсат отводится через клапан / в конденсатор. Когда турбина достаточно прогреется, дренажные линии перекрывают, чтобы избежать постоянной утечки пара в конденсатор.

В турбинах высоких начальных параметров приходится предусматривать особые меры, чтобы ограничить перетекание теплоты от цилиндра высокого давления по валу к подшипникам турбины, а также чрезмерный разогрев внешней коробки уплотнения и возникающий при этом радиационный нагрев корпуса передне1 о подшипника. Кроме того, в турбинах высоких параметров избегают пользоваться высокотемпературным паром из уплотнений цилиндра высокого давления для концевых уплотнений, находящихся под вакуумом.

Пример схемы уплотнений конденсационной одноцилиндровой турбины высоких параметров показан на рис. 5.14, где переднее концевое уплотнение отмечено буквой А. а заднее уплотнение, находящееся под вакуумом, -буквой В. Переднее уплотнение камерами а. Ь. с, *7 разделено на ряд отсеков. Обращенная к турбине внутренняя часть, уплотнения выполнена с увеличенным диаметром для уравновешивания осевых усилий, действующих на ротор турбины (см. ниже. § 5.5). Камеры а и Ь соединены с паропроводами нерегулируемых отборов пара, причем из камеры а пар отсасывается в регенеративный отбор повышенною давления, в то время как из камеры Ь пар отсасывается в подогреватель, где давление, даже при полной нагрузке [урбины, ниже атмосферною- В камеру с, а также в камеру е заднего концевого уплотнения подводится насыщенный пар из деаэратора (если в деаэраторе около 0.6 МПа, то температура насыпкчия /л^ 150 С). В переднем уплотнении насыщенный пар из камеры с растск. ^тся в камеры Ь и </, предупреждая возможность подсасывания воздуха через 1.лмеру Ъ в вакуумный подогреватель.

Подвод сравнительно холодного пара к передней части концевого уплотнения предупреждает перетекание высокотемпературного пара из корпуса турбины по валу к переднему подшипнику. К заднему уплотнению насыщенный пар подается в камеру е и запирает доступ воздуха в выходной патрубок турбины. Подвод пара с пониженной температурой в части низкого давления особенно важен потому, что разогрев шайки вала, на который в горячем состоянии с натягом посажен диск последней ступени турбины, недопустим.

Чтобы исключить испарение из уплотнений, из камеры в. уплотнений высокого давления и камеры / уплотнения низкого давления пар отсасывается эжектором в поверхностный подогреватель, где происходит конденсация пара из уплотнений, а также рабочего пара эжектора.

Подвод охлажденного пара к переднему уплотнению имеет, однако, следующую отрицательную особенность. При работе турбины под нагрузкой пар течет из камеры регулирующей ступени к камерам а и Ь, так что указанная на чертеже часть вала увеличенного диаметра оказывается прогретой. Если произойдет внезапное снижение нагрузки турбины и давление в камере регулирующей ступени упадет, то вдоль уплотнения в турбину начнет подсасываться пар с низкой температурой, который подводится в камеру с. При этом участок вала, находящийся в зоне уплотнения, будет охлаждаться. Вал турбины начнет сокращаться быстрее, чем корпус, что приведет к уменьшению зазоров между сопловыми и рабочими лопатками турбины и к возможному задеванию и повреждению в проточной части. В связи с этим в некоторых турбинах пар с пониженной температурой подводится только к уплотнению низкого давления.

В турбинах высокого давления расход пара через концевые уплотнения довольно значителен. Для того чтобы уменьшить потери, связанные с этими утечками, стремятся частично использовать их, что и достигается. отводом пара в паропроводы регенеративных подогревателей.

При конструктивной разработке лабиринтовых уплотнений стремятся решить несколько задач:

а)             конструкции гребня и следующей за ним расширится камеры должны быть выполнены так, чтобы в камере по возможности полностью гасилась кинетическая энергия, приобретенная паром при протекании через узкое сечение зазора. Если это условие не будет соблюдено, то расход пара через уплотнение увеличится;

б)            расположение гребней лабиринтов должно быть компактным, с тем чтобы в пределах заданной длины вала разместить наибольшее количество гребней; при этом, однако, не следует допускать слишком малые размеры расширительных камер, так как в этом случае в них не будет полностью гаситься кинетическая энергия;

в)             конструкция уплотнения должна быть выполнена так, чтобы малые зазоры между неподвижными гребнями и ротором турбины не были причиной повреждения турбины. При задевании гребня уплотнения за вал в месте касания выделяется теплота, которая, односторонне нагревая вал, вызывает температурное удлинение его волокон и прогиб вала в направлении возникшего касания. При этом увеличиваются контактное усилие, выделение теплоты и прогиб вала. Если гребень не отойдет в радиальном направлении или не износится достаточно быстро, то однажды возникшее задевание и прогиб вала начинают интенсивно возрастать. При этом нагрев вала может достигнуть такого уровня, при котором предел текучести металла упадет и волокна вала в зоне касания приобретут остаточную деформацию сжатия.

Гребни уплотнения могут выполняться как на роторе, так и в неподвижных обоймах. Обе конструкции имеют достоинства и недостатки. Установка гребней — обычно стальных, иногда (при невысоких температурах и перегретом паре) латунных, толщиной 0,2—0,4 мм — в неподвижных обоймах удобна при необходимости замены, однако может привести к рассмотренному выше задеванию и нагреву ротора.

Во многих турбинах при такой конструкции уплотнения на роторе выполняются так называемые тепловые (термокомпенсационные) канавки, позволяющие локализовать нагрев вала, вызванный задеванием. Однако эти канавки, являясь концентраторами напряжений, ограничивают время переходных режимов, в первую очередь пуска турбины, т. е. неблагоприятно сказываются на показателях маневренности агрегата.

В связи с этим в последнее время часто отказываются от тепловых канавок, более того, иногда выполняют уплотнения прямоточного типа, чтобы избежать концентрации

напряжений в уголках ступенек уплотнения. Правда, согласно рис. 4.14 при этом возрастает утечка пара.

По оценкам отказ от тепловых канавок А, видных из рис. 5.15, а, при определенных температурных условиях и размерах уплотнений позволяет в 1,3—1,6 раза увеличить безопасную скорость повышения температуры при пуске (град/ч). Отказ от ступенек (рис. 5.15, в и 4.14, в) повышает эту скорость еще в 1,2-1,5 раза.

Однако конструкция, представленная на рис. 5.15, вч требует по сравнению с конструкцией на рис. 5.15, б больших зазоров, а конструкция на рис. 5.15, в для сохранения того же значения утечки — большего числа гребней. Если гребни выполнить на роторе (рис. 5.16, а), то становятся более сложными их замена или ремонт. При неизбежном прогибе ротора, особенно при переходных режимах, гребни, задевая за обоймы корпуса, стачиваются по всей окружности, при этом заметно растет утечка. Чтобы избежать этого, проточка корпуса выполняется овальной, благодаря чему зазор между корпусом и гребнями, устанавливаемыми на валу, имеет разную величину.

При широкораспространенной конструкции с установкой гребней в статоре каждое уплотнительное кольцо состоит из нескольких частей, как показано на рис. 5.16, б. Сегменты уплотнения с помощью обычно плоских пружин прижимаются к центру таким образом, чтобы выдерживались заданные зазоры. В случае задевания каждый сегмент может отойти в радиальном направлении. Радиальные зазоры выбираются в соответствии с диаметром ду уплотнения. Ориентировочно можно принимать радиальный зазор 5, = (0,001 — 0,0015) </у, однако при малых диаметрах не следует выбирать зазор менее 0,2—0,3 мм.

На некоторых турбинах старых модификаций используется конструкция елочных уплотнений, показанная на рис. 5.16, в. На втулке ротора выточены радиально расположенные гребни. В обойму уплотнения вставляются сегменты с выточенными горизонтальными гребнями. Сложность технологии изготовления и необходимость выполнять специальные втулки привели к отказу от такого типа уплотнений.

В ряде конструкций турбин (например, в ЦВД турбин сверхкритического давления ЛМЗ и ТМЗ, см. рис. 10.7, 10.41) пар подается в среднюю часть цилиндра и между первым и вторым отсеками проточной части устанавливается развитое уплотнение. Аналогично применяется среднее уплотнение ротора между частями высокого и среднего давления в турбинах с совмещенным цилиндром среднего и высокого давления — ЦВСД, например в турбине К-800-12,8 ЛМЗ для АЭС с реакторами БНР (см. рис. 10.34).

В турбинах для одноконтурных АЭС, когда рабочей средой является радиоактивный пар, концевые уплотнения должны быть абсолютно герметичными. Для этого в них организуется специальная система подвода и отвода пара, осуществляется подача в уплотнения нерадиоактивного пара, поступающего из испарителя чистого пара с давлением, несколько превышающим атмосферное (рис. 5.17). При работе влажным паром в уплотнении может появиться щелевая эрозия, поэтому эти уплотнения, особенно в части высокого давления, выполняются из хромистых, обычно нержавеющих сталей.

Как было рассмотрено в § 4.3, процесс расширения пара является изоэнтальпийным, т. е. для перегретого пара примерно изотермическим, для влажного пара — с уменьшением температуры. Если в турбинах АЭС процесс расширения пара в переднем концевом уплотнении начинается с небольшой степенью влажности, то закончиться он может в области перегретого пара (рис. 5.18.)