Особенности конструкции питательного сверхмощного турбонасоса KSB СНТА
В силу специфики работы сверхмощного насосного оборудования для нужд «большой» энергетики (эксплуатация на критических режимах) оно требует индивидуальных подходов к разработке конструктива. В нашей статье, которая является продолжением материала о расчете проточной части одного из крупнейших в мире питательных насосов немецкой угольной электростанции Нидерауссеме (блок K), речь пойдет об особенностях технических решений для подобных уникальных агрегатов, предложенных специалистами KSB.
Конструктивные особенности ротора
Мощность приводной турбины передается питательному насосу энергоблока через зубчатую муфту. Рабочие колеса посажены на вал по горячей посадке и фиксируются шпонками. Это обеспечивает соединение рабочего колеса с валом без проскальзывания и повышает жесткость вала (см. рис. 1−1).
Рис. 1. Распределение силовых потоков стационарных компонентов
Различие распределения и площадей воздействия давлений на входной и напорной поверхности рабочего колеса приводит к возникновению осевой силы (рис. 2), которая каждым колесом через закладное кольцо передается на вал насоса.
Рис. 2. Разгрузка осевых сил
Для уравновешивания осевых сил, действующих на каждое колесо, сумма которых может достигать 240 т, используется специальное разгрузочное устройство (рис. 1−2). Оно представляет собой двухступенчатый поршень с тремя последовательно расположенными щелевыми уплотнениями, в которых напорное давление насоса дросселируется до давления всаса, создавая результирующее усилие Fkolb (рис. 2), направленное в сторону напорного патрубка насоса. Оставшаяся несбалансированной часть осевой нагрузки передается на упорный подшипник через карданное кольцо (рис. 1−3).

Важно отметить, что упругий элемент карданного кольца позволяет ротору совершать малые осевые перемещения, что приводит к изменению осевого зазора поршня Se. Повышение перепада давления Δp (р2 — р3) при уменьшении осевого зазора двойного поршня и увеличение компенсирующей осевой силы в направлении напорного патрубка насоса приводят к снижению нагрузки на упорном подшипнике.

В частности, при внезапном вскипании воды на входе и увеличении осевой силы реакция разгрузочного устройства вызовет перемещение ротора на малую величину в сторонунаправления всаса, а упорный подшипник будет нагружаться только в критическом случае. Дальнейшая разгрузка осевой силы двухступенчатого поршня осуществляется с помощью разъемного фиксирующего кольца (рис. 1−4).

Опыт эксплуатации сегментных радиальных подшипников скольжения показал их хорошую несущую способность и устойчивое динамическое поведение, поэтому на питательном турбонасосе СНТА блока К конструкция радиальных подшипников осталась без изменений (рис. 1−6). Эти подшипники, как и упорные, смазываются маслом под давлением от системы смазки блока. Упорный подшипник (рис. 1−7) является двусторонним и надежно защищает насос от внезапного изменения направления осевой нагрузки или нестационарной нагрузки.
Конструктивные особенности стационарных элементов насоса
Основным стационарным элементом насоса является наружный корпус. Он представляет собой кованый цилиндр (рис. 1−8), к которому напорная крышка (рис. 1−9) крепится мощными шпильками (рис. 1−10), выдерживающими внутреннее давление. Шпильки на крышке затягиваются специальным гидравлическим приспособлением без дополнительных остаточных изгибных и крутильных напряжений, обеспечивающим точное соединение, надежно работающее как при статических, так и динамических режимах.

Внутренние компоненты машины, составляющие проточную часть и формирующие гидравлику насоса, в частности, входная камера (рис. 1−11), корпуса ступеней или секции (рис. 1−12), направляющие аппараты (рис. 1−13), секция последней ступени с интегрированной выходной спиралью (рис. 1−14) и компенсатор теплового расширения (рис. 1−15), оказывают существенное влияние на вибрационное состояние питательногонасоса.

Гидродинамические силы, действующие на ротор в осевом направлении, влияют также на элементы статора. Вместе с силами компенсаторов они, с помощью напорной крышки, прижимают внутреннюю проточную часть, состоящую из корпусов ступеней, к посадочным местам на входе наружного корпуса и на выходе насоса. Необходимо учитывать, что максимальная нагрузка на напорной крышке может достигать 3760 т!

Компенсатор теплового расширения, представляющий собой упругий пружинный элемент, обеспечивает предварительное сжатие и посадку внутренней проточной части при пуске насоса в режиме, когда гидравлические силы проточной части не обеспечивают необходимого для работы насоса осевого усилия. Кроме того, он компенсирует различного рода расширения внутренних элементов и наружного корпуса, возникающие в результате неравномерного поля температур в нестационарных (например, пусковых) режимах или увеличения зазоров в рабочем (горячем) состоянии. Перемещения могут достигать нескольких миллиметров при резком шоковом изменении температуры, и это не должно приводить к повреждениям.

Уровень жесткости, т. е. напряжения в статорных элементах, которые принимает на себя компенсатор, также очень важен при работе в режиме малых нагрузок. При недостаточной жесткости возможно возникновение относительно мягкой колебательнойсистемы, которая может попасть в резонанс с колебаниями несбалансированного ротора, вращающегося на низкой частоте. С ростом частоты вращения растет внутреннее давление, увеличивается жесткость внутренней проточной части, и собственные частоты статорных элементов становятся расчетными.

Наряду со снижением возбуждающих сил со стороны потока, очень важным является замыкание их действия через подшипник на наружном корпусе (силовой поток на рис. 1). В связи с этим очень важно качество статических уплотнений. Они выполнены в виде профилированных колец и должны уплотнять максимальное давление до 500 бар на стороне нагнетания. Уплотнительный эффект достигается за счет рабочего давления, которое прижимает уплотнительные губки к уплотняемым конструктивным элементам без каких-либо дополнительных устройств. Вместе с тем они способствуют созданию силового потока подшипника без использования пружин, не имеющих уплотнительных функций.
Конструктивные особенности уплотнений вала
Опыт эксплуатации показал, что тип используемых концевых уплотнений существенновлияет на надежность питательных насосов. В конструкции турбонасоса СНТА, установленного на блоке К угольной ТЭС Нидерауссеме, использованы уплотнения с плавающими кольцами, которые уже много лет успешно эксплуатируются на других энергоблоках станции. Упрощенная схема циркуляции конденсата в уплотненияхс плавающими кольцами приведена на рис. 3.
Рис. 3. Уплотнения с плавающими кольцами контура запирающего конденсата
В этом уплотнении на протяжении длинной дроссельной щели, состоящей из плавающих колец, давление снижается от уровня всаса до атмосферного.

В зависимости от рабочей точки этот перепад давления может достигать Δp=40 бар. Течение жидкости в щели между валом и плавающим кольцом приводит к возникновению гидродинамической силы, приводящей в свою очередь к всплытию кольца, обеспечивающему его надежную работу. При этом горячая вода, дросселируемая в уплотнении для того, чтобы в результате вскипания поток не потерял несущую способность, охлаждается холодным конденсатом.

Впрыск холодной воды осуществляется после первого уплотнительного кольца и регулируется специальным вентилем на входе. На выходе воды из уплотнения измеряется ее температура, после чего часть ее вновь поступает на регулирующий вентиль, а другая часть сливается в бак конденсата и далее в конденсатную систему.

Два 100%-ных дозирующих насоса снабжают уплотнения с плавающими кольцами конденсатом, обеспечивая 100%-ный резерв. Они задействованы на любом режиме, даже при работе на валоповороте, так как только в этом случае можно предотвратить контакт плавающих колец и вала.

Обеспечение межремонтного периода в 3−5 лет требует надежной работы концевых уплотнений, которая была достигнута уже во время пусковых операций и ввода питательного насоса в эксплуатацию. Использование торцовых уплотнений при больших перепадах температур требует особых конструктивных элементов, позволяющих охлаждать рабочую зону уплотнений. Для плавающих колец это требование не так жестко.

Охлаждение рубашки торцовых уплотнений производится холодным конденсатом с температурой примерно 70 °C, в то время как температура питательной воды близка к 200 °C. Это условие создает в элементах уплотнения значительные температурныенапряжения и деформации. Учитывая малые зазоры торцовых уплотнений (порядка нескольких микрон), даже малые температурные деформации могут приводить к выходу их из строя. Большие перепады температур при работе насоса в режиме валоповорота могут вызвать деформации ротора или корпуса насоса и задевания в проточной части, следствием которых может быть перегрузка и авария механизма валоповорота. Насос должен длительное время охлаждаться, пока вал не сможет опять свободно проворачиваться.

Напомним, что турбонасос СНТА с максимальной приводной мощностью 40 МВт является одним из крупнейших в Европе и уже несколько лет эксплуатируется на энергоблоке 1000 МВт немецкой электростанции Нидерауссеме, работающей на буром угле. Высокие температуры и значительные ее перепады обусловили ряд интересных практических решений, разработанных инженерами KSB. В следующей статье этого цикла мы расскажем о специфике расчета колеса первой ступени, которое работает в условиях высокого кавитационного риска.

Если у вас возникли вопросы по этой теме, наш специалист обязательно постарается на них ответить!
Задайте вопрос!
У вас появился вопрос? Просто задайте его здесь и мы ответим на него по электронной почте или телефону.
Задайте вопрос