1. Как уплотнения влияют на эффективность работы турбин?
2. Как отечественному производителю удалось достигнуть высокого качества ячеек уплотнителя?
3. Какие условия приводят к истиранию сотового уплотнения?

История хорошо запомнила конец эпохи дешёвой нефти. Кризис 1970-х закончился фактическим крахом мощнейшей автоиндустрии Соединённых штатов, когда большие автомобили с монструозным (по нынешним меркам) объёмом двигателей и соответствующим потреблением горючего, были вытолкнуты с рынка экономичными японскими машинами. Банкротились заводы, пустели когда-то процветающие города, уютные районы превращались в криминальные гетто с постапокалиптическими декорациями. С тех пор экономичность и минимизация потребления ресурсов становились лишь актуальнее. К сегодняшнему дню этот параметр, пожалуй, навечно занял второе место после, собственно, самой безопасности.

Экономики развитых и развивающихся стран требуют больше энергии за меньшие деньги. Предприятия, от металлургического завода до кофейной лавки, непрерывно ищут способы оптимизации затрат.
Модернизация генерирующего оборудования приближается к своему пределу, поднимая эффективность агрегатов, сделанных десятилетия назад на невиданный в ту пору уровень. Всё это стало возможным благодаря использованию новых материалов и технологий, не доступных ранее при создании силовых машин.
Едва ли стоит углубляться в объяснения, почему в авиационном двигателе или энергетической турбине «мелочей» не бывает. Каждая из спроектированных инженерами деталей выполняет свою задачу, и надёжность всего агрегата характеризуется надёжностью самого, казалось бы, простого его компонента.
Один из таких компонентов с конца 2018 года начал производиться в России на предприятии компании РОТЕК. Сотовые уплотнения, внешне абсолютно схожие с настоящей сотой из пчелиного улья, со сравнимым уровнем качества, могли изготавливать лишь несколько компаний из Западной Европы и США. Незамысловатая на первый взгляд деталь, делающая работу турбины эффективнее и позволяющая добиться экономии в десятки миллионов рублей в год на каждой генерирующей единице средней мощности, не производилась в стране.
Российские турбостроительные и ремонтные предприятия обходились либо малоэффективными решениями прошлого века, либо, полагались на нестабильные поставки из-за рубежа.
Ситуация усугубилась еще сильнее, когда в 2014 году Великобритания ввела запрет на продажи российским предприятиям современных сотовых уплотнений ввиду их «двойного назначения», то есть их возможного использования в составе двигателей военной техники.

Коммерческий авиалайнер, новейший истребитель или современная турбина на электростанции – все эти инженерные шедевры используют «соту» как элемент, придающий им необходимую, по сегодняшним требованиям, надёжность и эффективность.
Первоначально инженеры РОТЕК действительно планировали купить технологию и взять за основу типовую конструкцию, с тем, чтобы нивелировать риски, связанные с импортом. Но ни технология, ни оборудование для производства высококачественных сварных сотовых уплотнений попросту не продаётся. Поэтому было решено разрабатывать продукт самостоятельно, адаптировав «соту» к специфике российских силовых машин, авиадвигателей и других турбоагрегатов.

В ходе технического поиска было разработано более 20 различных схем и моделей оборудования для производства высококачественных сварных сотовых уплотнений. В итоге россияне полностью отказались от любых заимствований и спроектировали с нуля прототип, проведя расчеты инструментов и кинематики. Изготовленный прототип в течении месяца довели до промышленной установки.

В октябре 2019 года Всероссийский теплотехнический институт провел исследования, подтвердившие эффективность технологии РОТЕК, с помощью которой удалось добиться стабильной и точной геометрии ячейки соты, что обеспечивает наилучшее качество пайки (рис. 1 и рис. 2).

Точная геометрия критически важна для того, чтобы исключить формирование стального клина из припоя, формирующегося между ячейками, как это часто бывает в широко распространённом штампованном сотовом уплотнении. Это делает конструкцию излишне жёсткой, что может привести к отрыву соты от подложки со всеми вытекающими последствиями. Кроме этого, при задевании подобного несоразмерно жёсткого уплотнения, лопатки ротора подвергаются повышенному износу и гораздо раньше выходят из строя.
Как отмечает главный конструктор Уральского турбинного завода Тарас Шибаев в своей статье, посвящённой тенденциям на рынке паротурбинного оборудования, сегодня, всё больше заказчиков, рассматривают проекты КОММод (конкурентный отбор проектов модернизации тепловой генерации), как возможность внедрения каких-либо новшеств технического характера, в первую очередь обращают внимание на локальные «инновации», в том числе новые типы уплотнений. А если говорить о плановых ремонтах и даже упрощённой схеме реновации / модернизации оборудования, то при замене только самых нагружаемых частей турбины (ротора, корпуса, сопловых коробок) не обойтись без замены уплотнений.
В качестве наглядного примера эффектов, которые несёт с собой «сота», можно привести некоторые результаты и особенности применения сотовых уплотнений в составе паровых турбин на объектах атомной энергетики.

Отличительной особенностью турбоагрегатов, использующихся на АЭС, является близкое расположение опорного подшипника ротора к цилиндру высокого давления, что делает его более подверженным к попаданию пара, который при соприкосновении с маслом провоцирует его деградацию и уничтожение антифрикционных и антизадирных присадок.

Стоит подчеркнуть, что расчётные данные, которые мы приводим, были подтверждены использованием сотовых уплотнений в атомной энергетике, отличающейся сверхконсервативным подходом. При внедрении этих элементов в состав тихоходных паровых турбин энергоблоков № 1 и 2 Смоленской АЭС был обеспечен прирост мощности:

• 1,5 МВт на турбогенераторе ТГ-1
• 0,9 МВт на турбогенераторе ТГ-3.

По понятным причинам любые новации в отрасли внедряются с многократной перестраховкой и в данном случае был принят увеличенный зазор между ротором и статором равный 0,5 мм, показавший эффект порядка 1 %, что полностью соответствует теоретическим и исследовательским данным, полученным А. Я. Речкоблитом.

Однако даже с учётом этого, эксплуатируя упомянутые выше турбоагрегаты в течение 10– 12 лет экономия средств составит 100–140 млн рублей.
Стоит также отметить важность фактора, напрямую влияющего на безопасность и эффективность использования тех или иных новых решений – квалификация обслуживающего персонала. На объектах атомной энергетики работают инженеры высочайшей квалификации, точно выполняющие все требования при обслуживании оборудования, что позволило им получить значительный эффект от грамотного использования новых компонентов и, в частности, сотовых уплотнений, даже при установке увеличенного зазора.
Кроме необходимости квалифицированного подхода к обслуживанию генерирующих агрегатов, немногочисленные критики «соты» нередко забывают и о таких важных параметрах как тяжёлые условия эксплуатации, износ ввиду возраста оборудования, плохое качество пара из-за присутствия в нем окалины, прогиб ротора, значительные осевые и поперечные перемещения. Все эти обстоятельства не позволяют раскрыть потенциал сотового уплотнения, которое может значительно истираться при пуске и прогреве турбины и в дальнейшем не выполнять своих функций.
Однако, если все условия соблюдены, то современное сварное сотовое уплотнение не только экономит топливо, но и предохраняет дорогостоящие компоненты ротора – лопатки от износа и возможных поломок при задевании. Не стоит забывать, что в случае повреждения лопаток, стоимость ремонта будет в десятки раз больше стоимости полного комплекта сотовых уплотнений.

Источник: Журнал главного инженера