Высококачественные сотовые уплотнения: современные способы сделать турбину эффективнее

• Какие параметры учитываются при выборе оборудования?
• В чем заключается эффект, достигаемый использованием сотовых уплотнений в газовых и паровых турбинах?
• В каких сферах целесообразно применение сотов?

Модернизация генерирующего оборудования — процесс непрерывный, в ходе которого турбостроители максимально используют передовые материалы и решения, доступные на данный момент. Топливная эффективность и безопасность агрегата представляют собой два ключевых параметра, которые учитываются в первую очередь при выборе нового оборудования или рассмотрении перспектив усовершенствования существующего парка.

В рамках современной экономики и конкурентного рынка эти параметры были дополнены высокими требованиями надежности и экологических норм. Совокупно они стали определять — будет ли использоваться данная машина или нет.

Нередко удачные инженерные решения лежат практически на поверхности. Шестиугольная форма соты является одной из наиболее эффективных и экономичных фигур. Геометрия этого интегрального компонента любой современной турбины очень схожа с шестиугольными призматическими ячейками — восковыми постройками пчел.

Высококачественное сварное сотовое уплотнение

Новый компонент представляет собой усовершенствованный тип уплотнений, позволяющий уменьшить радиальные зазоры до 0,1 мм и менее, увеличить относительный КПД (до 5 %), соответственно сократить расход топлива и снизить износ проточной части турбины.

Собранная статистика подтверждает расчеты, согласно которым использование сотовых уплотнений в газовых и паровых турбинах позволяет снизить удельный расход условного топлива.

Эффект, достигаемый использованием «соты», заключается в препятствовании перетеканию газа или пара между ступенями турбины.

На острых кромках уплотнения происходит срыв потока, который, благодаря геометрии соты разворачивается в обратную сторону и «запечатывает» пространство между лопаткой ротора и кожухом турбины, предотвращая утечки. Именно эта функция отражена в самом названии данного компонента, которое на английском языке звучит как Honeycomb seals, где seal обозначает «запечатывающий/изолирующий слой». Критически важным в данной конструкции становится уровень исполнения «соты» — стабильность формы и качество ячейки напрямую влияют на эффективность работы и прирост КПД турбины.

На приведенной схеме изображено, как лопатки ротора, расширяясь при высокой температуре, прорезают бороздку в сотовом уплотнении, которое надежно останавливает утечки пара или газа в горячем тракте турбины. За счет этого происходит экономия топлива и повышается эффективность работы.

Схема расположения сотовых уплотнений и их контакта
с элементами ротора паровой турбины

Характеристики нового продукта предопределили траекторию его движения на рынке высокотехнологичного оборудования. В российскую энергетику сварная «сота» пришла из авиации, по сути повторив путь многих других систем, изначально применявшихся в авиастроении, а затем нашедших свое место в автопроме и других отраслях ввиду возможности широкого применения этих новых изобретений и их подтвержденной эффективности.

В 2018 году российская компания «Ротек», единственный в стране производитель современных сварных сотовых уплотнений для авиации и энергетического турбостроения, открыла собственное производство и выпустила первые партии сварных сот. Новый для нашего рынка продукт превзошел требования, предъявляемые к компонентам, используемым в энергетическом машиностроении. По итогам опытных испытаний «Ротек» и «Уральский завод гражданской авиации» подписали контракт на серийную поставку сотовых уплотнений для ремонта авиационных двигателей. Компания «Ротек» планирует покрыть потребность авиастроительной отрасли в сотовых уплотнениях. Локализация производства этой продукции для авиадвигателей не является самоцелью — современная сота также может быть применена в двигателях военной техники, в связи с чем в 2014 году Великобритания признала технологию изготовления современных сотовых уплотнений стратегической и запретила поставки этих компонентов в Россию вне зависимости от назначения их использования. Поскольку в России сотовые уплотнения сопоставимого качества не производились в принципе, это привело к тому, что, в продукции ВПК и даже при проектировании гражданских двигателей, конструкторы закладывают решения 60–70-х годов прошлого века. Это означает повышенную трудоемкость, металлоемкость и значительные затраты на подготовку серийного производства. В итоге конечная стоимость сборочной единицы становится кратно выше по сравнению с изделием на основе современной «соты».

При подготовке этого материала мы обратили внимание на один пример из гражданского двигателестроения. В патенте компании SNECMA «Уплотнение кольца ротора в ступени турбины» (RU 2 476710) (позиция 28) показано сотовое уплотнение сложной конфигурации из чего можно сделать закономерный вывод, что без сварной «соты» применение подобных схем при проектировании газовых турбин невозможно.

Изображение из патента компании SNECMA
«Уплотнение кольца ротора в ступени турбины» (RU 2 476710)

На одну паровую турбину мощностью в 100 МВт расходуется до 40 метров «соты» для надвальных уплотнений и до 100 метров — для надбандажных уплотнений.

Безусловно, «сота» — продукт нишевый, но абсолютно необходимый в составе современной турбины любого класса на электростанции, в авиадвигателе или на атомном ледоколе.

Около половины производимой продукции компания «Ротек» намерена поставлять за рубеж.

Источник: «Журнал главного инженера», №6, 2019 (статья в полном объеме).

Убедитесь, что вы подписаны на журнал и вся необходимая информация — под рукой!