Уплотнения турбин

В многоступенчатой турбине имеются концевые и диафрагменные уплотнения. Кроме того, в проточной части ступеней выполняют периферийные уплотнения по бандажу и уплотнения у корня рабочих лопаток.

Концевые уплотнения устанавливаются в местах выхода вала из корпуса турбины. В областях высокого давления уплотнения ограничивают выход пара из турбины, а в областях пониженного давления (ниже атмосферного) препятствуют подсосу воздуха в турбину и конденсатор.

Рис.1. Схема переднего концевого уплотнения ротора ЦВД мощной турбины:

1 – пар из камеры регулирующей ступени;

2,3,4 – отсосы в подогреватели;

5 – пар от регулятора давления;

6 – отсос в вакуумный эжекторный холодильник;

7 – подсос воздуха.

Рис.2. Схема уплотнений турбины К-200-130:

1 – регулятор подачи пара на уплотнения; 2 – коллектор уплотняющего пара; 3 – предохранительный клапан; 4 – отсос пара во II отбор; 5 – отсос пара в IV отбор; 6 – отсос пара в сальниковый подогреватель; 7 – отсос пара из концевых камер в сальниковый подогреватель с эжектором.

Все уплотнения разделены на отдельные камеры. В предпоследнюю камеру подается уплотняющий пар с регулируемым давлением, несколько большим атмосферного. Из последней камеры пар отсасывается с помощью эжектора, и в ней создается давление ниже атмосферного.

Аналогичным образом организовано и концевое уплотнение вала ЦНД, находящегося под разрежением, с той лишь разницей, что оно имеет только две камеры: подачи уплотняемого пара и отсоса смеси пара и воздуха.

В турбинах одноконтурных АЭС, когда рабочей средой является радиоактивный пар, концевые уплотнения должны быть абсолютно герметичны.

Лабиринтовые уплотнения.

Для уменьшения протечек пара между вращающимися и неподвижными элементами широкое применение получили лабиринтовые уплотнения.

Рис.3: 1 – сегмент уплотнения;

2 – гребешки;

3 – участок вала;

4 – расширительная камера.

Уплотнение состоит из ряда последовательных узких кольцевых щелей, образованных гребешками и поверхностью ротора, и относительно широких камер.

Пар, проходя между гребешком и валом, приобретает кинетическую энергию, которая затем гасится в расширительной камере.

В результате по мере движения пара через уплотнение его давление уменьшается от Р_1у до Р_2у.

Расход пара через уплотнение определяется давлением перед последним гребешком, которое тем меньше, чем больше гидравлическое сопротивление предшествующих гребней.

Протечка пара через диафрагменное уплотнение определяется соотношением:

,

где G – расход пара через ступень;

z – число гребешков;

μ₁ – коэффициент расхода сопловой решетки;

F₁ – площадь выходного сечения сопловой решетки;

F _y – площадь для прохода пара под последним гребешком;

μ _y – коэффициент, зависящий от формы и размеров

гребешка и зазора под ним;

k _y – поправочный коэффициент, зависящий от конструкции

уплотнения. Для ступенчатого уплотнения (рис.2), в

камерах которого происходит полное гашение скорости,

k _y = 1.

Однако, ступенчатые уплотнения не могут применяться там, где в процессе эксплуатации могут быть относительно большие смещения ротора, т.к. в этом случае могут возникнуть осевые задевания. Тогда используют прямоточные уплотнения, в камерах которых не происходит полного гашения скорости и таким образом протечка больше (k _y > 1), чем в ступенчатых уплотнениях.

Из формулы видно, что протечка через диафрагменное уплотнение (G _1y) обратно пропорциональна квадратному корню из числа уплотняющих гребешков (z) и прямо пропорциональна площади для прохода пара: F _y =π· D_y ·δ_1, где D_y – диаметр уплотнения.

Уменьшение зазора δ₁ в уплотнении ограничивается возможностью задеваний ротора о статор.

Рис.4.

При этом в месте касания происходит местный разогрев периферийного слоя металла ротора. В результате теплового расширения металла в месте касания возникает прогиб ротора, что приводит к еще большему задеванию. После останова и остывания ротор получит так называемый остаточный прогиб. Такой ротор приходится подвергать правке – сложной операции, осуществляемой в заводских условиях.

Как правило, выбирают δ₁ = D _y / 1000 ≈ 0,3 ÷ 0,6 мм. Диаметр уплотнения также стараются уменьшить, однако его минимальное значение ограничивается вибрационными характеристиками валопровода.

Рис.5. Процесс течения пара в уплотнении в h – s диаграмме.

Состояние пара перед первой щелью характеризуется точкой О^I. Отрезок О^Iа^I соответствует расширению пара в первой щели. Точка а^I характеризует состояние пара в первой щели. Располагаемый теплоперепад первой щели равен кинетической энергии потока в этой щели.

В процессе изобарного торможения в камере за первой щелью (а^IО^II) кинетическая энергия потока переходит в теплоту. В результате этого энтальпия пара перед второй щелью (точка О^II) становится равной энтальпии перед первой щелью – h₀. Далее процесс повторяется, при этом располагаемые теплоперепады, приходящиеся на каждую последующую щель, увеличиваются, т.к. скорости пара возрастают согласно уравнению неразрывности:

,

где F _y = π·d _y ·δ _y – площадь щели (одинакова для всех щелей);

G _y = const – расход;

v – удельный расход (увеличивается).

Таким образом, состояние пара в камерах уплотнения характеризуется точками О^II,О^III, 1, которые располагаются на линии h₀ = const, соответствующей процессу дросселирования. Состояние пара в сужениях (щелях) уплотнения характеризуется точками а^I, а^II, а^III, расположенных на линии а - б, которая соответствует процессу течения пара с трением в трубе постоянного сечения и называется линией Фанно.

Температура пара вдоль уплотнения изменяется незначительно.

Расход пара через уплотнение обратно пропорционален квадратному корню из числа щелей z: .

,

где μ _y – коэффициент расхода щели уплотнения, зависящий от

формы уплотняемого гребешка;

F _y – площадь зазора в уплотнении;

- давление и удельный объем перед уплотнением;

ξ = Р₁ / Р₀ – отношение давления за уплотнением к

давлению перед уплотнением.

Процесс течения пара в прямоточном уплотнении отличается тем, что в камерах между гребнями поток тормозится не полностью. Часть кинетической энергии расходуется на ускорение потока, поэтому расход пара через щель прямоточного уплотнения значительно больше, чем ступенчатого:

,

где k _y – поправочный коэффициент (рис.4).