Расходные характеристики уплотнений для турбомашин

Расходные характеристики сравниваемых уплотнений показаны графиками на рис. 3, б, где по оси абсцисс от общего нуля отложены радиальный зазор 6 ступенчатого уплотнения и сквозной просвет о нового уплотнения. Отрицательные значения 0 соответствуют наличию перекрыши гребней.
По оси ординат отложена условная протечка (5, получаемая делением опытного значения протечки О на комплекс, отражающий влияние частных условий эксперимента, где Ь — поперечная длина щели (эквивалент длины окружности вала); р0 и У0 — давление и удельный объем воздуха перед уплотнением; р — давление в последнем зазоре; г — количество зазоров; 1г — длина уплотнения.
Величина О характеризует уплотнение единичной длины и ширины и весьма удобна при сопоставлении между собой различных типов уплотнений с разными шагами гребней н зазорами.
Если через минимальное значение протечки нового уплотнения пронести горизонталь, а из точки ее пересечения с расходной характеристикой ступенчатого уплотнения того же осевого разбега опустить вертикаль на ось абсцисс, то получится величина радиального зазора б, при котором ступенчатое уплотнение эквивалентно новому.
Возможные технологические отклонения перекрыши в пределах (0,1 —0,2) мм от оптимального значения практически не влияют на величину протечек.
Из этих данных следует, что при осевых разбе1 ах с = 4, 5; 6,5; 9 и 12 мм новые уплотнение эквивалентны известным ступенчатым с такими же осевыми разбегами при радиальных зазорах б = 1; 1,4; 1,75 и 1,95 мм соответственно.
Упомянутые умеренные значения осевых разбегов характерны для концевых и диафрагменных уплотнений ц. в. д. и ц. с. д. современных паровых турбин, поскольку эти цилиндры непосредственно примыкают к упорному подшипнику. Чертежные значения радиальных зазоров в уплотнениях р. в д. н р. с. д. обычно не превосходят 1 мм, однако эксплуатационные значения зазоров близки к названным эквивалентным. Достаточно сказать, что монтажным формуляром на турбину К-200-130 ЛМЗ в уплотнениях р. в. д., примыкающих к регулирующей ступени, предусмотрен радиальный зазор б = 1,2-ь 1,4 мм. Кроме того, необходимо иметь в виду, что по опытным данным реальные расходные характеристики обычных уплотнений, выполняемых, как правило, эластичными (с разрезными подпружиненными сегментами в статоре), примерно на 20% хуже экспериментальных, получаемых на жестких моделях [7] Новое же уплотнения не нуждается в эластичном исполнении.
Что касается сопоставления нового типа уплотнений с прямоточными, то области их применения, вообще говоря, не совпадают, так как прямоточное допускает неограниченные осевые перемещения. Однако в бандажных уплотнениях, где применяют прямоточные уплотнения с двумя-тремя гребнями прн зазоре б — 1,5ч-2,5 мм переход на новый тип уплотнения (возможный при выполнении бандажей заодно с лопатками), как показали специальные сравнительные опыты на установке, примерно троекратно уменьшил бы протечку (эквивалентный зазор 6ЭКв ^ ^ 0,7 мм), И даже упрощенная модификация нового типа уплотнений для клепаных бандажей с двумя-тремя гребнями, против каждого из которых расположено по два статорных гребня, оказывается конкурентоспособной (6ЭКв = мм).
Необходимо подчеркнуть важную особенность расходной характеристики нового типа уплотнений, отчетливо видную на графике рис. 3: при изменении просвета а в широких пределах, скажем на ±0,5 мм, протечка практически не меняется. Изменение в тех же пределах радиального зазора б в обычном уплотнении меняет протечку на 50—100%.
Эта особенность нового уплотнения свидетельствует о том, что оно не может быть причиной появления поперечных аэродинамических сил типа сил Томаса, а также вызванных спиральным [1] или центрирующим [2] эффектами в уплотнениях (как известно, эти силы способствуют низкочастотной вибрации роторов). Более того, если установочное значение просвета выбрать несколько меньшим оптимального, например, о = 0,1, то новое уплотнение будет иметь «падающую» расходную характеристику в противоположность «возрастающей» характеристике обычного уплотнения (рис. 3) и должно оказывать демпфирующее действие на ротор.
Области предпочтительного применения уплотнений нового типа и обычных ступенчатых уплотнений с выступами приведены на рисунке в координатах: необходимый осевой разбег ротора в уплотнениях с — требуемый радиальный зазор ступенчатых уплотнений 6. При умеренных осевых разбегах и больших значениях радиальных зазоров преимущество на стороне нового типа уплотнений; эта зона лежит выше разграничительной линии.
В действительности новое уплотнение будет иметь еще большие преимущества. Дело в том, что радиальный зазор между кромкой гребня и дном лабиринтовой камеры нового уплотнения примерно в пять раз больше радиального зазора эквивалентного ступенчатого уплотнения. Значит, радиальные задевания в новом уплотнении практически исключены, т. е. оно не подвержено износу и обладает эксплуатационной стабильностью протечек, чего нельзя сказать об уплотнениях обычного типа. Это позволяет существенно упростить конструкцию уплотнения, отказавшись от эластичного исполнения с разрезными сегментами и пружинами, и перейти к жесткой конструкции, в идеале — с цельно-точенными гребнями на роторе и статоре и даже без горизонтального разъема.
Ввиду чрезвычайно малой вероятности повреждения кромок гребней ротора и статора необходимость в их ремонте практически отпадает.
В бандажных уплотнениях переходу на новый тип уплотнений благоприятствует наблюдаемая повсеместно тенденция применять рабочие лопатки с цельно-фрезерованными бандажными полками.
Чрезвычайно полезным представляется использование нового типа уплотнений в маневренных турбинах, где при обычных конструкциях уплотнений приходится идти на увеличенные радиальные зазоры. В этих условиях уплотнения нового типа, нечувствительные к радиальным взаимным перемещениям ротора и статора, оказываются вне конкуренции. Отсутствие в уплотнениях нового типа опасности радиальных задеваний делает ненужными тепловые канавки на валу, которые, являясь концентраторами напряжений, ограничивают маневренность турбин и снижают их моторесурс.
На основании рассмотренного материала можно сделать следующие выводы.
1. Разработан и исследован новый тип лабиринтовых уплотнений, нечувствительный к взаимным перемещениям ротора и статора в отношении протечек, задеваний и аэродинамических сил.
2. При осевых разбегах 4,5—12 мм новое уплотнение, имея радиальные зазоры порядка 5—13 мм, по величине протечек эквивалентно обычному уплотнению с прямоугольными выступами, имеющему радиальные зазоры 1—2 мм.
3. Новый тип уплотнений не нуждается в эластичной составной конструкции статорных элементов, не требует тепловых канавок на валу и допускает без разъемное исполнение. Представляется перспективным его применение в качестве концевого, диафрагменного и над бандажного уплотнений в ц. в. д. и ц. с. д. мощных и высокоманевренных паровых турбин, а также в газотурбинных установках.