ТУРБИНЫ ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ, КОМПРЕССОРЫ

ЛАБИРИНТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ. ВЫБОР ТИПА И РАСЧЕТ ПРОТЕЧЕК

РТМ 24.020.33-75

Издание официальное

МИНИСТЕРСТВО ТЯЖЕЛОГО. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Москва

РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Центральным научно-исследовательским и проектно-конструкторским котлотурбинным институтом им. И. И. Ползунова

Директор

Заведующий базовым отраслевым отделом стандартизации Заведующий отделом паровых турбин Заведующий отделом газотурбинных установок Исполнители:

ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Главным управлением турбинной промышленности Министерства тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения

Главный инженер    В.    П.    ГОЛОВИЗН    И    Н

УТВЕРЖДЕН Министерством тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения

Заместитель министра

Группа Е23

РУКОВОДЯЩИЙ технический материал

ТУРБИНЫ ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ, КОМПРЕССОРЫ

ЛАБИРИНТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ. ВЫБОР ТИПА И РАСЧЕТ ПРОТЕЧЕК

Указанием Министерства тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения от 10 апреля 1970 г. № ПС-002 4003 введен как рекомендуемый.

Настоящий руководящий технический материал распространяется на концевые и диафрагменные лабиринтные уплотнения стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров.

Лабиринтные уплотнения служат для ограничения утечек рабочей среды вдоль вала из корпуса турбомашины и перетечек между ступенями и представляют собой ряд последовательно расположенных друг за другом узких кольцевых щелей — зазоров и более или менее просторных полостей — камер. Зазоры между ротором и статором образуются их кольцевыми поверхностями и заостренными кромками гребней, отделяющих камеры друг от друга.

Классификация лабиринтных уплотнений по признакам функционального, аэродинамического, геометрического, кинематического, конструктивного и технологического характера представлена в табл. 1.

Таблица 1 Классификация лабиринтных уплотнений

Признак Типы уплотнений Функциональный (по назначению) Концевые, диафрагменные, бандажные Кинематический (по общему направлению движения среды относительно оси вращения) Осевые, радиальные, диагональные Геометрический (по ориентации уплотнительного зазора относительно оси вращения) С радиальными зазорами, с осевыми зазорами Аэродинамический (по характеру движения среды и взаимному расположению зазоров) Прямоточные (сквозные), ступенчатые Конструктивно технологические признаки: по наличию специального узла, несущего уплотнительные элементы ротора Втулочные, безвтулочные то же, для статора с обоймами (кольцами), без обойм (колец) по типу крепления уплотнительных деталей статора жесткие, гибкие (с подвижными сегментными уплотнительными кольцами на пружинах),термоэластичные по месту расположения уплотнительных гребней (усиков) по конструкции уплотнительных гребней (усиков) с гребнями на роторе, с гребнями в статоре, комбинированные с цельноточеными гребнями, со вставными (зачеканенными) гребнями

I. ВЫБОР ТИПА УПЛОТНЕНИЙ

1.1. При проектировании турбомашины с учетом вероятных радиальных и осевых взаимных перемещений уплотнительных элементов ротора и статора под влиянием температурных, динамических и других эксплуатационных и технологических факторов назначаются основные (определяющие) конструктивные размеры уплотнений — необходимые величины радиального зазора 6 и осевого разбега с.

PTM 24.020.33—75 Стр. 3

1.2. Исходное значение радиального зазора 6 в миллиметрах рекомендуется определять по формуле, учитывающей влияние различных конструктивных и эксплуатационных факторов,

5 --= тТ [0,04d + 10-⁵jc (L — х)\ + 0,25.

Здесь а —наибольший из коэффициентов температурного расширения для материалов статора или ротора турбомашины, 1/°С;

Т — наибольшая температура рабочей среды в корпусе турбомашины по абсолютной шкале, К; d — диаметр кольцевой уплотнительной щели, мм;

, _+ £_ц

^L~ 2 *

где L_p и 1ц —пролет (расстояние между опорами) ротора и пролет корпуса турбины, мм;

где х_р и Хц—расстояние от данного уплотнительного гребня до ближайшей опоры ротора и соответственно до ближайшей опоры корпуса, мм.

Исходное значение зазора может быть скорректировано с учетом дополнительных факторов (см., например, пл. 2.2—2.5) и дифференцировано для верхней, нижней и боковых частей окружности.

1.3. С целью получения минимальных протечек выбор типа уплотнений в рамках определяющих конструктивных размеров производится по аэродинамическому признаку, отражающему характер движения среды и взаимное расположение зазоров. По этому признаку к применению в турбомашинах рекомендуется пять основных типов уплотнений (табл. 2) с определенными соотношениями геометрических размеров, обеспечивающими в каждом из них минимальную протечку.

Первые четыре типа уплотнений (прямоточное и три ступенчатых) имеют радиальные уплотнительные зазоры, пятый тип—с осевыми зазорами.

Каждый тип уплотнения имеет предпочтительную область применения в зависимости от необходимых величин радиальных зазоров и осевых разбегов (черт. 1 и табл. 3).

1*

PTM 24.020.33—75    Стр, 5

Области предпочтительного применения основных типов лабиринтовых уплотнений в зависимости от величин радиальных зазоров б и осевых

разбегов с

Черт. 1

Рекомендуемые типы уплотнений в зависимости от значений радиального зазора

и осевого разбега

Таблица 3

Радиальный зазор Ь, мм Осевой разбег с, мм <7 7-9 9-12 12-14 14-35 35-50 >50 <0,5 А А А А А А А 0,5-0,7 Б Б Б В В А А 0,7-1.0 Б Б Б Б В В А 1-1.5 Л Г Г Г Г Г Г 1.5-2 Л Г Г Г Г Г Г 2-3 Л Л Г Г Г Г Г >3 Л Д Л Г Г Г Г

Примечание. Буквы А, Б, В. Г, Д соответствуют обозначению типа уплотнений согласно табл. 2 и черт. 1.

Стр. 6 РТМ 24.020.33-75

1.4.    Прямоточное уплотнение (А)

1.4.1.    В рекомендуемом прямоточном (сквозном) уплотнении зазоры находятся на одном диаметре, гребни расположены только в статоре или только на роторе, осевой разбег не ограничен (с = оо). Высоту гребней следует принимать минимально возможной с точки зрения надежности и ремонтопригодности, но не менее удвоенного зазора (Л>26). Шаг гребней должен быть примерно в 2,5 раза больше высоты (/«2,5/г).

1.4.2.    Область предпочтительного применения прямоточного уплотнения — малые радиальные зазоры и большие осевые разбеги:

о = 0,4 мм, с> 10 мм; о == 0,5 мм, с > 20 мм; о 0,65 мм, с > 30 м м; о = 0,9 мм, с>40 мм: о= 1,2 мм, с > 50 мм.

На черт. 1 эта область лежит ниже линии L — L, а в табл. 3 обозначена буквами А.

1.4.3.    Протечки в прямоточном уплотнении уменьшаются при наклоне гребней навстречу потоку (оптимальный угол 0юит=135^о, черт. 3) и при двустороннем расположении гребней. На протечку не влияет исполнение гребней (кольцевое или по винтовой линии). Однако отклонение от формы А (см. табл. 2) не способствует сохранению в эксплуатации исходной величины зазора и исходной конфигурации вследствие возможных задеваний.

1.5.    Ступенчатые уплотнения

1.5.1.    Следующие три типа уплотнений являются ступенчатыми. Соседние зазоры в них расположены на разных диаметрах (с пе-рекрышей). В уплотнениях с прямоугольными выступами гребни имеют различную высоту и расположены только на роторе или только в статоре.

1.6.    Ступенчатое уплотнение с выступами и одиночными короткими гребнями (Б)

1.6.1.    Высота выступов должна быть не менее утроенной величины зазора (Л >36); ширина выступов может быть меньше ширины впадины не более чем на утроенную величину зазора (£> с — 36). Верхняя граница высоты выступов И ^ с/2.

1.6.2.    Область предпочтительного применения: зазоры 6 в пределах 0,4—1,0 мм; осевые разбеги с соответственно не более 12—14 мм. На черт. 1 эта область ограничена линиями L — L. М — М, N — N и О — О, а в табл. 3 обозначена буквой Б.

1.7.    Ступенчатое уплотнение с выступами и увеличенным числом коротких гребней (В)

1.7.1. Ширина выступов и шаг t\ коротких гребней выбираются равными между собой и должны быть не менее утроенной величины зазора (6 = /|>36). Высота выступов выбирается -в пределах c/2>/i>36, оптимально Л = с/3.

PTM 24.020.33-75 Стр. 7

1.7.2.    Область предпочтительного применения: верхняя граница зазора 6<1 мм; нижняя граница зазора в зависимости от осевого разбега

с— 12 мм , 6 = 0,4 мм; с = 20 мм, 6 = 0,5 мм; с = 30 мм, 6 = 0,65 мм; с = 40 мм, 6 = 0,9 мм.

На черт. 1 эта область расположена справа от линии М — М и ограничена линиями L — L, М — М и N — N, а в табл. 3 обозначена буквой В.

1.7.3.    Увеличенное число коротких гребней (тип В) предпочтительнее одиночных (тип Б) при осевых разбегах с > 12-И8 мм и при радиальных зазорах соответственно 6 = 0,4ч-2,5 мм. На черт. 1 в области справа от линии М — М уплотнение В предпочтительнее уплотнения Б. Сдваивание коротких гребней при меньших значе-! иях осевого разбега (в области слева от линии М—М, черт. 1) приводит ж росту протечек на 10—20%, .но допускается, если в рабочем положении против выступа располагается только один гребень.

1.8.    Комбинированное ступенчатое уплотнение с чередующимися гребнями ротора и статора (Г)

1.8.1.    Высота гребней комбинированного уплотнения должна составлять от одной четверти до половины осевого разбега (с 4 < h с, 2).

1.8.2.    Комбинированное уплотнение предпочтительнее уплотнений с выступами при радиальных зазорах более одного миллиметра (6 > 1 мм). Область предпочтительного применения комбинированного уплотнения на черт. 1 расположена выше линии /V — N и правее Р— Я, а в табл. 3 обозначена буквой Г.

1.9.    Уплотнение ЦКТИ (Д)

1.9.1.    Уплотнение ЦКТИ имеет регулярно чередующиеся гребни ротора и статора. Радиальный зазор между кромками гребней и дном лабиринтовых камер превосходит высоту гребней (6>Л), т. е. между кромками гребней имеется сквозной просвет е, благодаря чему уплотнение ЦКТИ формально является прямоточным. Однако по зигзагообразному характеру течения его следует отнести к ступенчатым уплотнениям.

1.9.2.    Уплотнительным зазором, определяющим протечку, з уплотнении ЦКТИ является осевой зазор a = t — 6, который примерно вдвое меньше радиального. Оптимальная форма камеры квадратная, т. е. высота гребней равна осевому разбегу (h = c). Величину просвета следует принимать равной примерно пяти сотым от высоты гребня (е = 0,05с).

1.9.3.    Уплотнение ЦКТИ предпочтительнее ступенчатых, если необходимы большие радиальные зазоры и допустимы сравнительно небольшие осевые разбеги. Если для уплотнения с высту-

Стр. 8 РТМ 24.020.33—75

пами (тип Б) при осевых разбегах 6—12 мм требуется радиальный зазор соответственно 1—2 мм, то предпочтительнее использовать уплотнение ЦКТИ. Точно так же уплотнение ЦКТИ становится предпочтительнее комбинированного (типа Г), если в последнем при осевых разбегах 6—12 мм требуется радиальный зазор соответственно 1,7—3,0 мм. Область предпочтительного применения уплотнения ЦКТИ на черт. 1 расположена левее линии О — О (при сравнении с уплотнением типа Б) и левее линии Р—Р (при сравнении с комбинированным уплотнением). В табл. 3 эта область обозначена буквой Д.

1.10. Сопоставление различных типов уплотнений для более полного учета их геометрических параметров выполняется согласно п. 3.10.

2. КОНСТРУКЦИЯ УПЛОТНЕНИИ С РАДИАЛЬНЫМИ ЗАЗОРАМИ

2.1.    Выбор конструктивного исполнения уплотнений с радиальными зазорами производится с целью облегчения последствий вероятных радиальных задеваний между вращающимися и неподвижными элементами, для чего уплотнения должны удовлетворять следующим требованиям эксплуатационной надежности:

—    безотказность, т. е. предотвращение при задевании вынужденного останова турбомашины, особенно с последующей заменой ротора или основных деталей корпуса;

—    возможно меньший износ уплотнительных элементов;

—    высокая ремонтопригодность, т. е. простота замены изношенных или поврежденных деталей.

2.2.    Уплотнительные гребни следует выполнять отдельно от вала или корпуса (с применением зачеканки, на сменных деталях), что дает возможность заменять их в случае повреждения. Выполнение уплотнительных гребней за одно целое с валом или корпусом не рекомендуется. Вынужденное несоблюдение этой рекомендации должно компенсироваться увеличением радиального зазора на величину, равную исходному значению (см. п. 1.2).

2.3.    Уплотнительные гребни могут располагаться как в статоре, так и на роторе. Уплотнения с гребнями только на роторе надежнее предохраняют вал от погиба. При наличии гребней в статоре для обеспечения надежности на случай задеваний рекомендуется предусматривать температурную компенсацию ротора в виде тепловых канавок на валу, насадных втулок с тепловыми зазорами, уступов и т. п., обеспечивающих свободу тепловых расширений нагреваемых от трения элементов. При вынужденном невыполнении этой рекомендации следует увеличить радиальный зазор на величину, равную исходному значению. Наиболее ремонтопригодными являются уплотнения с гребнями только в статоре, особенно на сменных деталях.

2.4.    Конструкция крепления статорных деталей уплотнения может быть жесткой или гибкой (на пружинах).