Сопловый аппарат паровой турбины

Когда говорят о паровых турбинах, часто думают о роторе, о дисках. А про сопловой аппарат — как про что-то второстепенное, мол, статорная часть, закреплена, и ладно. Это первое, с чем сталкиваешься на практике — недооценка. На самом деле, именно здесь, в первом сопловом аппарате ЦВД, происходит самое важное: потенциальная энергия пара превращается в кинетическую. И от того, как это сделано, зависит всё — КПД, вибрация, ресурс. Много лет назад, на одной из старых советских турбин К-100-90, мы как раз наступили на эти грабли. После капремонта, который делали с упором на ротор, турбина не выходила на номинал по тепловой экономике. Искали везде, пока не заглянули в детали соплового аппарата первой ступени. Оказалось, при сборке не выдержали монтажные зазоры в разъёмном аппарате, была перекос, вызвавший дополнительное вихреобразование и срез потока. Мелочь, а последствия — на проценты КПД.

Конструкция: где кроется дьявол

Конструктивно, конечно, все знают — это направляющие лопатки, закрепленные в корпусе или в отдельных диафрагмах. Но если копнуть глубже, в ремонтную практику. Возьмем, к примеру, цельнолитые диафрагмы с фрезерованными каналами. Казалось бы, надежно. Но при частых пусках-остановах, особенно на турбинах ТЭЦ, где режим меняется, в зоне перехода от обода к лопаткам накапливаются термоусталостные трещины. Их не всегда видно при визуальном контроле, нужен капиллярный или ультразвук. Мы на https://www.chinaturbine.ru сталкивались с подобным при ремонте турбины для цементного завода в Казахстане. Заказчик жаловался на рост вибрации под нагрузкой. При вскрытии нашли сетку мелких трещин именно в этой зоне на двух диафрагмах ЦВД. Причина — не столько материал, сколько локальный перегрев из-за неправильного профиля на выходе из канала, который сформировался за годы эрозии. Пар под нагрузкой ударял не туда, куда нужно.

А вот сборные аппараты на шпильках или в разъёмных кольцах — это отдельная песня. Тут главный враг — фреттинг-коррозия в местах контакта хвостовика лопатки и паза корпуса. Особенно в регулирующих ступенях, где есть поворотные лопатки. Люфт в несколько соток, который кажется допустимым по чертежу, через 20-30 тысяч часов работы приводит к разбиванию посадочных мест, лопатки начинают ?звенеть?. Помню случай на турбине ПТ-60, когда при разборке половина хвостовиков в верхнем полукорпусе была со следами глубокого износа, хотя визуально, до разборки, аппарат казался целым. Пришлось растачивать пазы и наплавлять материал, а это уже серьезная операция, требующая последующей термообработки, чтобы снять напряжения.

И еще про зазоры. Радиальные, осевые. В книгах пишут оптимальные значения. Но на практике, после замены ротора или самого аппарата, эти зазоры нужно проверять в ?горячем? состоянии, методом индикации, а не просто рассчитывать на монтажные допуски. Один раз мы, полагаясь на расчеты и качественную механическую обработку новых диафрагм от ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, чуть не попали впросак. Диафрагмы были сделаны идеально, но при прогреве корпусов турбины (старая конструкция, с горизонтальным разъемом) выяснилось, что ?проседает? средняя часть, и радиальный зазор в нижней части диафрагмы уходит почти в ноль. Хорошо, что провели модельные тепловые расчеты и замеры на аналогичной работающей машине перед окончательным монтажом. Пришлось на месте, в условиях цеха, проводить доводку. Их профиль как раз и заключается в комплексном подходе: они не просто продают диафрагму, но могут провести полный анализ ее работы в конкретном корпусе, что для ремонтных организаций бесценно.

Материалы и эрозия: постоянная борьба

Материал лопаток соплового аппарата — это обычно нержавеющая сталь типа 20Х13 или 15Х12ВНМФ. Но для первых ступеней, где пар еще влажный, или для участков после сепарационных устройств, где могут лететь капли, этого часто недостаточно. Эрозия задних кромок — бич. Наблюдал на турбинах, работающих на насыщенном паре от котлов-утилизаторов. За два-три года острой кромки как не бывало, профиль искажается, эффективность падает.

Что делают? Есть классические методы — наплавка стеллита, вставки из твердого сплава. Но у стеллита свой минус — риск трещинообразования из-за разницы коэффициентов теплового расширения. Сейчас чаще идут по пути использования лопаток с упрочненной кромкой, полученной лазерной или плазменной наплавкой прямо на этапе изготовления. В ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование в своем производстве для агрессивных сред предлагают именно такие решения. Важно, чтобы упрочнение не нарушало общую усталостную прочность лопатки. Видел неудачные образцы, где зона термического влияния была слишком велика, и лопатка лопалась не по кромке, а у корня, в самом нагруженном месте.

Еще один момент — отложение солей. Особенно актуально для турбин, работающих на паре с неидеальной водно-химическим режимом. Отложения на входных кромках сопел меняют геометрию проточной части, увеличивают сопротивление. Иногда при вскрытии видишь, что каналы заросли на треть сечения. Чистка струей песка или дробью помогает, но это опять же риск повредить поверхность. Лучше, конечно, предотвращать, но на действующих станциях это не всегда возможно. Поэтому при проектировании нового соплового аппарата для таких условий иногда имеет смысл закладывать чуть большие проходные сечения, с запасом на будущие отложения, жертвуя на первых порах небольшой долей эффективности.

Монтаж и центровка: искусство точности

Самая совершенная диафрагма, испорчена кривым монтажом. Установка соплового аппарата — это ювелирная работа. Особенно когда речь о больших мощностях и высоких параметрах пара. Здесь все имеет значение: чистота пазов перед установкой лопаток (мельчайшая стружка может позже вызвать коррозионное растрескивание), последовательность затяжки шпилек корпуса диафрагмы (чтобы не ?повело? плоскость), контроль соосности всех диафрагм по вертикальному и горизонтальному разъемам.

Частая ошибка — неучет теплового расширения при монтаже ?на холодную?. Аппарат центруют по нижнему полукорпусу, выставляют красиво, а когда турбина выходит на рабочий режим, из-за разной температуры верхнего и нижнего полукорпусов возникает перекос. Это сразу чувствуется по осевому смещению ротора и росту вибрации. Нам приходилось разрабатывать специальные таблицы поправок для монтажных зазоров в зависимости от температуры в цехе и массы самого корпуса. Опыт, который не найдешь в мануалах.

И про тепловые барьеры, экраны. Они часто крепятся как раз к элементам соплового аппарата. Их задача — защитить корпус от прямого воздействия горячего пара. Но если их неправильно смонтировать (оставить слишком большой зазор или, наоборот, ?зажать?), они могут отвалиться или, что хуже, деформироваться и задевать за вращающиеся части. Был инцидент на пуске после ремонта, когда оторвавшийся сегмент теплового экрана прошел через всю проточную часть. Ущерб был колоссальный. После этого мы всегда делаем двойной контроль креплений этих, казалось бы, второстепенных элементов.

Диагностика в работе: на что смотреть

Когда турбина работает, напрямую заглянуть в сопловой аппарат нельзя. Но кое-что понять можно. Косвенный, но очень важный признак — распределение температур по корпусу ЦВД в зоне первой ступени. Если термопары показывают неравномерный прогрев (например, с одной стороны корпуса температура стабильно выше), это может указывать на закупорку части каналов из-за отложений или на механическое повреждение лопаток. Также внимательно нужно смотреть на перепад давления на первой регулирующей ступени. Его рост сверх паспортного при той же мощности — прямой сигнал о проблемах в проточной части сопел.

Вибрация. Часто вибрация на частоте, кратной частоте вращения, может быть связана с ротором. Но если появляется высокочастотная составляющая, это может быть связано с возбуждением лопаток соплового аппарата из-за вихрей. Особенно если менялся режим работы пара или его начальные параметры. Иногда помогает не механический ремонт, а корректировка режима эксплуатации.

Шум. Опытный машинист на слух может отличить нормальный шум потока от свиста, который возникает при повышенной скорости пара в суженных из-за эрозии каналах. Это субъективно, но часто становится первым звоночком для проведения внепланового осмотра.

Ремонт или замена: экономика решения

Вот здесь и встает главный вопрос для эксплуатационщика. Когда диафрагма или целый сопловой аппарат изношены, что выгоднее: ремонтировать на месте, отправлять на заводской ремонт или заказывать новый? Универсального ответа нет. Если износ равномерный, в основном эрозионный, и сохранилась базовая геометрия, часто выгоднее восстановление наплавкой с последующей фрезеровкой и шлифовкой профиля. Но это требует высококлассных специалистов и станочного парка.

Если же есть трещины, коробление, значительная коррозия в пазах, то ремонт может быть сопоставим по стоимости с новой деталью, а по надежности — уступать. Вот тут и важно иметь надежного партнера-производителя. Изучая варианты, мы обратили внимание на ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование. Их сильная сторона — именно в комплексном обслуживании: они могут провести экспертизу старого узла, предложить вариант модернизации (например, с улучшенным профилем лопаток для повышения КПД) и изготовить новый аппарат с учетом всех нюансов конкретной турбины, даже если она не самой современной конструкции. Для старых турбин, где оригинальный производитель уже не выпускает запчасти, это часто единственный рациональный путь.

При замене ключевое — обеспечить полную взаимозаменяемость. Не только геометрическую, но и по материалу, массе (чтобы не нарушить балансировку ротора в сборе), по тепловым характеристикам. Новый аппарат от другого производителя может быть лучше по КПД, но если он, к примеру, массивнее, это изменит тепловое поле корпуса и может привести к непредсказуемым последствиям для всего цилиндра. Поэтому грамотный производитель всегда запрашивает максимум исходных данных и проводит верификацию расчетами. Просто сделать ?по образцу? — недостаточно.

В итоге, сопловой аппарат — это не просто деталь. Это функциональный узел, от точности изготовления, правильности монтажа и условий эксплуатации которого зависит судьба всей турбины. Подход к нему должен быть таким же комплексным и вдумчивым, как и к ротору. Опыт, часто горький, показывает, что экономия на качестве или на точности работ на этом этапе всегда выходит боком — снижением экономичности, внеплановыми остановами и, в конечном счете, большими финансовыми потерями. А современные производители, способные предложить не просто металлоизделие, а инженерное решение, как упомянутая компания, становятся в этом деле стратегическими партнерами, а не просто поставщиками.