Закрыть
28 мая 2019 года Железная пасека. Современные сотовые уплотнения помогают переосмыслить модернизацию турбин

Для отечественного турбостроения 2018 год оказался непростым. Испытания первой в России газовой турбины большой мощности были приостановлены из-за технических сложностей. Но представители «Ростеха» заверили, что работы продолжатся после устранения возникших проблем.

В этом же году на российском рынке появляется новый продукт, не производившийся ранее в стране, но критически необходимый для производства любых современных турбин, включая газовые машины и авиационные двигатели. Импорт этого компонента был серьезно осложнен после 2014 года, когда Великобритания признала технологию стратегической и наложила запрет на поставку сотовых уплотнений в Россию.

В середине 2018 года российская компания «Ротек» открывает собственное производство в Подмосковном г. Химки и приступает к серийному выпуску сварных сотовых уплотнений.

Нередко эффективные инженерные решения лежат на поверхности, будто сама природа подсказывает ответы, точность которых шлифовалась законами физики. Современные материалы и технологии позволяют находить новые пути использования этих естественных решений природы. Именно так в турбостроении появился новый элемент - сотовый уплотнитель. Геометрия этого интегрального компонента любой современной турбины один в один схожа с шестиугольными призматическими ячейками, которые делают пчелы для хранения запасов меда. Сварная сота представляет собой усовершенствованный тип уплотнений, позволяющий уменьшить радиальные зазоры до 0,1 мм и ощутимо увеличить относительный КПД, при этом сократив расход топлива и снизив износ проточной части турбины.

Сварные сотовые уплотнения нового поколения
Рис. 1 Сварные сотовые уплотнения нового поколения

Как работает «сота»? На приведенной схеме (см. ниже) 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
Рис. 2 Схема расположения сотовых уплотнений и их контакта с элементами ротора паровой турбины

Ход мысли конструкторов, разрабатывающих подобные решения, логично укладывается в историю развития технологии и турбин как таковых. Принцип работы турбины был известен давно. Еще в 1 веке нашей эры греческий математик и механик Герон Александрийский описал действие паровой турбины. Однако широкое промышленное применение эта машина смогла приобрести только после того, как английский инженер Чарлз Алджернон Парсонс, создав в конце 19 века многоступенчатый реактивный механизм, сумел направить пар таким образом, что его энергия начала использоваться максимально эффективно, конечно, по меркам того времени. Проще говоря, не сам принцип, а его совершенствование дало жизнь изобретению и навсегда изменило мир, вдохнув колоссальные силы в развитие промышленности, энергетики и транспорта. В рамках современной экономики и конкурентного рынка данный параметр был дополнен высокими требованиями надежности и экологических норм. Вкупе они стали критически важными критериями, определяющими, будет ли использоваться данная машина либо ее попросту спишут в утиль, а компания станет банкротом.

Эффект, достигаемый при использовании «соты» такой же, как и когда-то изобретение Парсонса: направляет потоки газа/пара, но делает это уже на новом уровне, так как сотовое уплотнение препятствует перетеканию газа или пара между ступенями турбины. На острых кромках уплотнения происходит срыв потока, который, благодаря геометрии ячейки разворачивается в обратную сторону и «запечатывает» пространство между лопаткой ротора и кожухом турбины, предотвращая тем самым утечки. Именно эта функция отражена в самом названии данного компонента, которое звучит по-английски как “Honeycomb seals”, где “seal” обозначает «запечатывающий/изолирующий слой». Критически важным в данной конструкции становится уровень исполнение «соты» – стабильность формы и качество ячейки напрямую влияют на эффективность работы и прирост КПД турбины.
Испытания подтвердили эффективность новой отечественной «соты», позволяющей увеличить относительный КПД до 5%, соответственно сократив расход топлива и снизив износ проточной части турбины. Собранная статистика подтверждает расчеты. К примеру, при работе турбины на 4,84 г/кВт ч, использование современных сотовых уплотнений позволяет экономить порядка 5 млн рублей в год на одном только топливе без учета экономии на амортизации и снижении износа основного оборудования.

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 после нашедших свое место в других отраслях промышленности.

Новый для нашего рынка продукт превзошел требования, предъявляемые к компонентам, используемым в энергетическом машиностроении. По итогам опытных испытаний холдинг «Ротек» и «Уральский завод гражданской авиации» подписали контракт на серийную поставку сотовых уплотнений для ремонта авиационных двигателей. Эти сотовые уплотнения получили собственную дополнительную маркировку «РК» к основному обозначению сборочной единицы в составе авиационных двигателей.

Запуск производства этого компонента в России может исправить и еще один технологический крен. Поскольку в нашей стране сотовые уплотнения сопоставимого качества не производились в принципе (в советское время достигнутое качество сотовых уплотнений было иным, так как не использовались еще технологии 3D). Это привело к тому, что в продукции ВПК и даже при проектировании гражданских двигателей, конструкторы закладывают решения 60-70-х гг. 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». А только на одну паровую турбину мощностью в 100 МВт расходуется до 40 метров «соты» для надвальных уплотнений и до 100 метров для надбандажных уплотнений.

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) на фиг.1 (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
Рис. 3 Изображение из патента компании SNECMA «Уплотнение кольца ротора в ступени турбины» (RU 2 476710)

Все это говорит о важности организации производства подобных элементов внутри страны. Конструкторы ВПК и гражданской продукции должны быть избавлены от необходимости искать альтернативные способы импорта «соты», поставляемой ранее из Великобритании и Соединенных Штатов, снизить влияние курсовых колебаний и последствий политических санкций.

Безусловно, сотовый уплотнитель – продукт нишевый, но абсолютно необходимый в составе современной турбины любого класса на электростанции, в авиадвигателе или на атомном ледоколе. Качество новой российской «соты» и ее технологическая необходимость предопределили ее спрос как на внутреннем, так и на внешнем рынке. Потребность последнего в данном продукте оценивается специалистами в 300 тонн в год. Поэтому до половины производимой продукции, компания «Ротек» планирует поставлять за рубеж.

Как и век назад, эффективность вновь приобретает решающее значение. Масштабы конкуренции, экологические стандарты разных стран и необходимый уровень предсказуемости работы промышленных объектов требуют от конструкторов и инженеров найти новые способы сделать машину экономичнее. И российские компании чувствуют тренды мирового машиностроения, берут инициативу в свои и выводят на рынок новые продукты, востребованные как внутри России, так и за ее рубежами.

Интернет-портал сообщества ТЭК

  • Смотрите также: