Опыт разработки торцовых газодинамических уплотнений
Проанализирован опыт разработки торцовых газодинамических уплотнений (ТГДУ) для газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Рассмотрены проблемы, возникающие при эксплуатации ТГДУ в составе нагнетателя природного газа.
Основные проблемы, возникающие при создании новой и модернизации существующей стационарной газотурбинной техники, связаны, в первую очередь, с требованиями повышения экономичности и увеличения срока ее эксплуатации. Эксплуатационные параметры стационарных газотурбинных установок зависят от допустимых в них уровней давления, температуры и скоростей вращения, пределы которых часто определяются возможностями используемых уплотнительных узлов. Одновременно ужесточаются требования по их ресурсу - до 100 тыс. ч и более. Современные тенденции реконструкции наземных установок предполагают использование высокотехнологичных узлов, которые существенно снижают затраты на эксплуатацию и повышают их надежность.
В центробежных компрессорах природного газа для предотвращения утечек его из проточной части в полость подшипниковых камер традиционно применяется гидрозатвор с масляным уплотнением, обычно торцового типа. В полость между подшипником и масляным уплотнением подается масло под давлением выше давления транспортируемого газа. Масло запирает газ, обеспечивает смазку и охлаждение пары трения, чем и определяется его расход в зависимости от перепада давления и геометрии поверхностей колец пары трения.
Постоянно повышающиеся требования к надежности, герметичности и весу уплотнений стимулируют интерес к ТГДУ. Правильно спроектированное такое уплотнение должно работать с малой утечкой без изнашивания пары трения. При очень высоких скоростях вращения роторов таким уплотнениям альтернативы нет.
Применение торцовых уплотнений с газовой смазкой в авиационных двигателях и газотурбинных установках началось с 60-х годов, однако при их практическом воплощении возникли значительные трудности. С появлением магнитных подшипников для компрессорных установок вновь возрос интерес к торцовым уплотнениям с газовой смазкой. Успешная их комбинация позволяет эксплуатировать компрессоры без использования масла. В уплотнительной технике, между тем, был накоплен значительный опыт в работе с новыми материалами и технологиями. Это создало предпосылки для успешного применения торцовых уплотнений с газовой смазкой в ГТУ различного назначения. Наибольшее распространение ТГДУ получили в нагнетателях природного газа и турбомашинах, используемых в химическом производстве.
Преимущества ТГДУ:
- обеспечивается полная герметичность на стоянке и незначительные утечки газа при вращении вала;
- отсутствует необходимость смазки пары трения маслом или другой жидкостью за счет использования газовой смазки (гарантированный зазор 2...4 мкм обеспечивается нагнетанием газа в уплотнительную щель);
- не требуется существенной доработки корпуса и вала при замене штатного уплотнения на ТГДУ;
- упрощается маслосистема;
- поставка в виде модуля;
- высокая безопасность и длительный ресурс (срок службы 100000 ч);
- незначительные потери мощности на трение;
- снижаются эксплуатационные затраты (регламент - через 12000 ч);
- исключается попадание масла в перекачиваемый нагнетателем (компрессором) газ или продукт.
Основы теории и проектирования торцовых уплотнений изложены в [1]. Характерной особенностью эксплуатации торцовых уплотнений для ГПА является экстремальность нагрузок (высокие значения перепадов давления, температуры, скоростей скольжения, динамических нагрузок). Процессы в уплотнительных щелях определяются свойствами жидкостей и газов, теплопередачей и теплоотдачей, фазовыми изменениями, изнашиванием и коррозией, воздействием сил и моментов, вибрационным состоянием и т.д. Изготовление ТГДУ требует высоких технологий. Для обеспечения надежности уплотнения требуется соответствующий уровень чистоты поступающего в уплотнение газа (1 мкм), а также исключить выделение растворенных в нем веществ. Опыт эксплуатации показал возможность попадания масла в пары трения, что теоретически должно приводить к выходу уплотнений из строя. Но ТГДУ продолжали надежно работать даже при заполнении газодинамических камер смесью масла и частиц графита. При модернизации компрессоров, имеющих значительную наработку, возможны существенные технологические отклонения, например биения торца ротора. В этом случае работа ТГДУ существенно отличается от расчетной. При сбросе давления газа после остановки ГПА наблюдается разрушение вторичных резиновых уплотнений. Таким образом, при создании высокоэффективных уплотнений современных турбомашин различного назначения необходим новый подход, требующий большого объема расчетных и экспериментальных исследований.
Научная школа по торцовым уплотнениям с газовой смазкой возникла в Куйбышевском авиационном институте имени академика СП. Королева (ныне Самарский государственный аэрокосмический университет - СГАУ) более тридцати лет назад. Сейчас это одна из авторитетных школ в своей области не только у нас в стране, но и за рубежом. За прошедшие годы в СГАУ создан ряд конструкций уплотнительных узлов для аэрокосмической и других отраслей, получено более 50 патентов, защищено 2 докторские и несколько кандидатских диссертаций.
С 1992 года началось сотрудничество СГАУ с ООО «Газпром трансгаз Самара» в области разработки ТГДУ для нагнетателей природного газа. 000 «Газпром трансгаз Самара» имеет большой опыт внедрения и эксплуатации систем сухих газовых уплотнений на компрессорах природного газа мощностью от 10 до 25 МВт. Здесь с конца 80-х годов впервые в отрасли эксплуатируется ГПА-Ц-16 с системой ТГДУ. С целью накопления опыта эксплуатации, отработки конструкции, технологии обслуживания и ремонта ТГДУ 000 «Газпром трансгаз Самара» было определено ведущим газотранспортным предприятием в ОАО «Газпром» по испытаниям в эксплуатационных условиях систем ТГДУ. В 1992-94 гг. была осуществлена модернизация компрессоров с использованием ТГДУ и магнитных подшипников пяти ГПА-Ц-16 и одного ГПА-Ц-25 на ТГДУ с масляными подшипниками. В процессе эксплуатации ГПА с ТГДУ ощутимо проявились их преимущества по сравнению с масляными уплотнениями.
В связи с большим количеством газотурбинных агрегатов с компрессорами Н-370 было предложено переоборудовать этот компрессор с масляного уплотнения на ТГДУ. Основной его особенностью является консольное расположение рабочего колеса. Это создает определенные проблемы при переходе на ТГДУ, а необходимость исключения маслосистемы высокого давления требует доработки подшипникового узла. Поэтому ведущие зарубежные фирмы отклоняли просьбы о разработке хотя бы технического предложения на создание системы ТГДУ для этого нагнетателя. В итоге было принято решение вести разработку ТГДУ и переоборудовать нагнетатели своими силами. Для этого надо было создать собственную экспериментальную базу для доводки разрабатываемых ТГДУ и опытной проверки ремонтируемых узлов уплотнений. Процесс разработки уплотнений для ГПА оказался сложнее, чем для аэрокосмической техники. Это обусловлено как отнюдь не авиационной точностью изготовления деталей нагнетателя, так и требуемым огромным по меркам авиации ресурсом - 100 тыс. ч.
При внедрении ТГДУ в нагнетатели 370-18-1 [3] возникла необходимость оценки влияния технологических отклонений. Результаты обмеров нагнетателей 370-18-1 показали, что в условиях изношенности парка нагнетателей торцовые биения посадочных поверхностей даже после ремонта достигали 0,1 мм (а иногда и более), что превышает допустимый уровень для торцового уплотнения [4]. Поэтому необходимо оценить работоспособность ТГДУ при данных значениях торцового биения. Важность таких исследований отмечается и ведущими фирмами-изготовителями ТГДУ [5, 6]. Для испытаний на динамическом стенде было изготовлено два уплотнения: с «узкой» (ширина уплотнительной поверхности графитового кольца в радиальном направлении 12 мм) и «широкой» (22,5 мм) парами трения. ТГДУ с «узкой» парой трения обладает рядом преимуществ [1]: вдвое меньше выделяется тепла при трении в газовом слое, меньшее требуемое монтажное пространство для пары трения, ниже чувствительность его статических характеристик к искажению уплотнительного зазора. Однако такое уплотнение обладает худшими жесткостными и демпфирующими свойствами.
Для оценки влияния биения вала на работу уплотнения была проведена серия испытаний, целью которых было определение максимальных воспринимаемых уплотнением биений вала при наличии радиального смещения корпуса уплотнения. Экспериментальная установка моделировала консольное расположение ТГДУ в нагнетателе. Проведенные измерения показали, что при низких частотах вращения и давлении (до 2000 об/мин и 2 МПа) динамическое биение вала соответствовало статическому значению 0,05 мм. С увеличением частоты вращения вала до 5300 об/мин биение возросло до 0,1 мм. С ростом давления до 5 МПа биение вала увеличилось до 0,12 мм. Утечки в ТГДУ с «узкой» парой трения при этом возросли в 2,5 раза. Осмотр деталей уплотнения после испытаний показал наличие следов контакта на уплотнительных поверхностях первой ступени. Таким образом, ТГДУ с «узкой» парой трения неработоспособно при динамическом торцовом биении 0,12 мм. Результаты испытаний ТГДУ с «широкой» уплотнительной парой показали, что при тех же биениях вала повышение утечек составило 23% (рис.). Это свидетельствует о лучших демпфирующих свойствах данного типоразмера уплотнения. Осмотр деталей уплотнения после испытаний показал, что уплотнение работало без контакта. Поэтому для нагнетателей консольного типа следует использовать ТГДУ с «широкой» парой трения.
Наряду с исследовательскими работами, которые имеют как научную, так и очевидную практическую ценность, были проведены работы по повышению надежности ТГДУ. Так, в результате внедренных мероприятий удалось оптимизировать подачу буферного газа и барьерного воздуха, т.е. исключить попадание грязного газа в уплотнительный зазор ТГДУ и надежно разделить зону утечек и маслополость подшипника. Были теоретически и экспериментально исследованы различные комбинации материалов (графит, карбид вольфрама, карбид кремния) для пар трения. Исследована работоспособность ТГДУ в случае попадания небольшого количества масла в уплотняемый газ. Удалось существенно снизить мощность трения при запуске, а также разработать и внедрить реверсивные ТГДУ.
За прошедшие годы созданы технология проектирования, изготовления и ремонта ТГДУ и, что особенно важно, методология их доводки на заданные параметры. Разработаны два уникальных динамических стенда, на которых можно испытывать все типоразмеры эксплуатируемых в ОАО «Газпром» ТГДУ. Созданы и успешно эксплуатируются уплотнения для нагнетателей Н-370-18-1 ИНЦ-16М.
Созданная производственная и экспериментальная база входит в десятку ведущих предприятий мира, которые владеют технологией изготовления ТГДУ. Опыт использования ТГДУ на компрессорных станциях позволил повысить надежность ГПА и показал быструю окупаемость затрат (расчетная окупаемость - 0,7 года).
В Самарском регионе сложилась кооперация в разработке ТГДУ: ОАО «Газпром» - инвестор и владелец результатов работы; Поволжское отделение Российской инженерной академии, СГАУ - идеология, наука и инжиниринг; ООО «Поволжская научно-производственная компания» - серийное изготовление ТГДУ; ПТП «Самарагаз-энергоремонт» - испытание, ремонт и сервисное обслуживание, изготовление опытных образцов; 000 «ВНИИГАЗ» - разработка типовой методики испытаний; 000 «Газпром трансгаз Самара» - мониторинг в эксплуатации.
По состоянию на 01.06.2008 г. разработано и изготовлено для оснащения нагнетателей, эксплуатируемых в 000 «Газпром трансгаз Самара», 16 узлов уплотнений со стойками управления для модернизации НЦ-16, 2 узла уплотнений для НЦ-25 и 29 узлов уплотнений со стойками управления для модернизации масляных нагнетателей Н-370-18-1. Общая наработка нагнетателей, укомплектованных ТГДУ самарского производства, более 300 тыс. ч. При этом лидерное ТГДУ отработало 27 тыс. ч. Отремонтировано 10 узлов уплотнений зарубежного производства для предприятий других регионов. Разработаны и проходят опытную проверку ТГДУ для нагнетателей Н-16-76-1,44 (производства Уральского турбинного завода), НЦ-6,ЗБ(В), Н-235, ГЦ 2-580 ГПА «Нева-25НК». Рассматриваются перспективы создания ТГДУ для перепадов давлений до 20 МПа. Многолетний опыт эксплуатации ТГДУ в ООО «Газпром трансгаз Самара» как импортных, так и собственного производства показал, что использование дорогостоящих уплотнений с газовой смазкой дает значительный экономический эффект.
