втулка паровой турбины

Когда говорят о втулке паровой турбины, многие представляют себе простую цилиндрическую деталь — вкладыш, втулку, что-то вспомогательное. Это, пожалуй, самое распространённое заблуждение. На деле, это один из тех узлов, от геометрии, материала и качества посадки которых зависит не только вибрационная картина, но и долговечность ротора в целом. Особенно это критично для регулирующих ступеней, где условия работы — адские. Я не раз сталкивался с ситуациями, когда после капремонта на стороннем предприятии проблема с вибрацией не уходила, а лишь меняла характер, и корень зла в итоге оказывался в этой самой втулке паровой турбины — в неучтённой разнице коэффициентов теплового расширения или в микроскопическом отклонении по конусности, которое не увидеть без специального контроля.

Где собака зарыта: посадка и тепловые зазоры

Всё начинается с чертежа и технологии запрессовки. Классическая ошибка — считать, что если диаметр подобран, то и ладно. Нет. Речь идёт о напряжённой посадке, часто с нагревом. Температура нагрева втулки перед напрессовкой на вал — это не ?на глазок?. Перегрел — материал ?отпустился?, потерял прочностные характеристики. Недогрел — не напрессуешь до конца или сорвёшь посадочную поверхность. У нас на стенде был случай с турбиной малой мощности, кажется, для привода насоса. После замены втулки появился стук на переходных режимах. Оказалось, мастер, опасаясь недожать, превысил температуру на 50 градусов. Втулка села идеально, но при первой же нагрузке из-за изменения структуры металла её ?повело?, и появился нерасчётный осевой зазор.

А тепловые зазоры в лабиринтовом уплотнении на самой втулке? Это отдельная песня. Здесь нельзя просто взять и сделать по стандарту для всех ступеней. Для ступеней высокого давления, где перепады огромны, расчёт зазоров ведётся с учётом не только стационарного, но и переходных режимов, вплоть до сброса нагрузки. Я видел последствия, когда для унификации взяли чуть более толстую втулку, не пересчитав лабиринт. Вроде бы мелочь. Но на ?горячем? пуске из-за иного теплового расширения произошло затирание. Последствия — фреттинг-коррозия вала, внеплановая остановка. Дорогая ?экономия? на металле.

Именно поэтому в компании вроде ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, которая занимается полным циклом от проектирования до капремонта, этому уделяют особое внимание. На их сайте https://www.chinaturbine.ru указано, что сфера деятельности — производство компонентов и техмодернизация. Так вот, модернизация часто начинается с пересмотра именно таких ?мелочей?: замена материала втулки на более жаропрочный сплав или изменение конфигурации лабиринтовых гребней для конкретного режима работы заказчика. Это не абстрактные слова, а ежедневная практика.

Материал: не всякая сталь 20Х13 одинакова

В паспорте часто пишут: ?сталь 20Х13?. И многие на этом успокаиваются. Но опытный технолог или металловед знает, что ключевое — это не марка, а история металла: выплавка, разливка, режимы термообработки, особенно отпуска. Для втулки паровой турбины, работающей в зоне влажного пара, стойкость к коррозионно-механическому износу и эрозии — всё. Я помню, как мы получили партию втулок от нового поставщика. По химсоставу — идеально 20Х13. Но после 15 тысяч часов работы на ТЭЦ с неидеальной водно-химическим режимом на поверхности появилась сетка микротрещин — признак неполноценной термообработки и склонности к коррозионному растрескиванию.

Поэтому серьёзные производители, интегрированные, как упомянутая компания, имеют свой входной контроль не только по геометрии, но и по металлографии. Иногда даже идут на применение более дорогих порошковых сплавов для особо нагруженных втулок первых ступеней, где эрозия съедает металл буквально на глазах. Это уже вопрос экономики ремонта: что выгоднее — менять втулку каждые два года или поставить более дорогую, но на весь межремонтный период?

Ещё один нюанс — покрытия. Напыление антифрикционных или упрочняющих покрытий на посадочную поверхность или на гребни лабиринта. Технология кажется простой, но требует идеальной подготовки поверхности и контроля толщины. Слишком толстый слой — может отойти чешуйками при тепловых циклах и заклинить всё. Мы экспериментировали с одним видом покрытия, кажется, на никель-графитовой основе, для уменьшения риска приработки при случайном касании. Результат был неоднозначным: на холостом ходу и малых нагрузках — отлично, но при резком сбросе нагрузки, когда идёт интенсивное охлаждение, покрытие местами отслоилось. Пришлось вернуться к классике — точным зазорам и качественному металлу.

Диагностика и ремонт: что видно, а что — нет

При капитальном ремонте втулку часто меняют ?по регламенту?, не глядя. Но иногда стоит её сохранить. Как принять решение? Первое — визуальный осмотр и замеры на эллипсность и конусность. Но самое важное скрыто внутри — это состояние посадочной поверхности под втулкой на самом валу. Бывает, что втулка в идеальном состоянии, а вал уже имеет наклёп или следы фреттинга. Напрямую это не измеришь, нужен косвенный анализ по силе запрессовки при снятии старой детали.

У нас был показательный случай на турбине ПТ-60. После длительной работы решили заменить втулку регулирующей ступени. Сняли старую — вроде нормально. Поставили новую, сделанную с высокой точностью. После сборки и выхода на обороты холостого хода — вибрация выше допустимой. Разобрали, снова проверили втулку — геометрия идеальна. Стали изучать вал. Оказалось, предыдущая втулка была немного недожата и за годы работы ?играла?, создав микровыработку на валу не по окружности, а по спирали. Новая, плотно севшая втулка, эту неравномерность повторяла, что и вызывало дисбаланс. Пришлось шлифовать вал и изготавливать втулку с ремонтным размером.

Это к вопросу о комплексном подходе. На сайте ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование в описании услуг как раз и делается акцент на проектировании, ремонте и обслуживании как на едином процессе. Потому что нельзя качественно отремонтировать узел, не понимая истории его работы и не имея возможности спроектировать и изготовить нестандартное решение — ту же втулку под нестандартный посадочный диаметр вала.

Модернизация: когда меняется сама концепция

Современный тренд — увеличение маневренности турбоагрегатов. Частые пуски и остановки, работа на нерасчётных режимах. Это убийственно для классических конструкций. И здесь втулка паровой турбины тоже попадает в зону внимания. Например, переход с цельнокованной втулки на составную — с напрессованным бандажом или даже с использованием вставных сопловых лопаток. Это снижает тепловые напряжения, но добавляет сложностей в сборке и контроле.

Мы участвовали в проекте модернизации старой турбины, где одной из целей было снижение потерь на вентиляцию. Инженеры предложили изменить профиль и количество лабиринтовых гребней на втулках нескольких последних ступеней. Расчёты показывали выигрыш. Но на практике после запуска возникли низкочастотные автоколебания в проточной части. Пришлось срочно останавливать. Анализ показал, что новая геометрия втулки изменила аэродинамическую картину в зазоре так, что возник срыв потока. Решение нашли эмпирически — немного скорректировали угол наклона гребней, пожертвовав частью теоретического выигрыша в КПД, но добившись стабильности. Идеальных решений с первого раза не бывает.

В этом контексте опыт компании, которая не просто продаёт детали, а занимается ?технической модернизацией турбинного оборудования? (как указано в её описании), бесценен. Потому что она сталкивается с подобными нештатными ситуациями на разных объектах и накапливает базу практических решений, которые потом могут быть применены тиражировано.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что, возвращаясь к началу. Втулка паровой турбины — это не расходник и не второстепенная деталь. Это полноценный конструктивный элемент, который связывает воедино вопросы механики (посадка, балансировка), теплотехники (тепловое расширение, охлаждение), материаловедения и аэрогидродинамики. Её проектирование, изготовление и ремонт — это всегда компромисс и поиск.

Когда видишь на сайте интегратора, вроде ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, список услуг от проектирования до монтажа, понимаешь, что именно такой подход и нужен. Потому что отдел проектирования, не общающийся с ремонтниками, никогда не учтёт тех микроскопических нюансов, которые всплывают только при вскрытии реального, проработавшего десятилетия агрегата. А ремонтная бригада без поддержки производства и инжиниринга обречена на кустарщину. Втулка — лишь один пример, но очень показательный. Мелочей в паровой турбине не бывает.