آب‌بندی اجزای كمپرسور و توربين

[spow 44197]

آب‌بندي اجزاي كمپرسور و توربين با استفاده از مواد سايش‌پذير، به منظور افزايش راندمان سيستم و عمر قطعات

 

آب‌بندي در توربو ماشينها در فصل مشترك قطعات ثابت و متحرك به منظور كنترل جريانات نشتي و خنك‌كننده لازم و ضروري است. كنترل لقي موجود در بين قطعات متحرك و ثابت باعث بهبود عملكرد توربو ماشين و عمر قطعات مي‌شود. يكي از مواد مورد استفاده در سيستم‌هاي جديد آببندي، مواد سايش‌پذير است.

در اين مقاله به بررسي مواد سايش‌پذير، از لحاظ تركيب شيميايي، موقعيتهاي بكارگيري، ملاحظات طراحي، ساختار و روش اعمال آنها در اجزاء كمپرسور و توربين پرداخته شده و در نهايت نتايج حاصل از بكارگيري اين مواد در توربين‌هاي كلاس e ارايه شده است.

تقاضا براي بهبود راندمان و توان خروجي توربينهاي گازي جديد و موجود در حال افزايش است. اين تقاضا منجر به كوشش‌هاي زيادي در جهت بهبود عملكرد در قطعات مختلف توربين شده است. آببندي در توربو ماشينها از مسائل مهم در كنترل لقي و موثر‌ترين راه در بهبود عملكرد سيستم است. راندمان سيكلي، عمر عملكردي و پايداري سيستم بستگي به طراحي و بكارگيري آببند (سيل) موثر است. بهبود آببندي بين قطعات ثابت و متحرك در توربين‌هاي گازي و بخاري مي‌تواند نشتي گاز و يا بخار را كاهش داده و در نتيجه منجر به بهبود عملكرد راندمان و توان خروجي توربين شود. فاصله هواي موجود بين نوك پره‌هاي متحرك و شرود و يا بدنه از مكانهايي است كه نشتي در آن حائز اهميت بوده و در طراحي با توجه به شرايط كاري، مقداري لقي مجاز براي جلوگيري از تماس نوك پره و شروع لحاظ مي‌شود. لقي‌هاي ناكافي جريانات خنك‌كننده را محدود كرده، باعث سايش در نقاط تماس شده، باعث ناپايداري توربو ماشين و همچنين آسيب به سيستم مي‌شود. لقي‌هاي اضافي نيز منجر به كاهش راندمان سيكلي، ناپايداري جريان و نفوذ گاز داغ در فضاهاي خالي ديسك و كاهش عمر ديسك مي‌شود. استفاده از حداقل فاصله هوايي باعث كاهش نشتي و در نتيجه باعث افزايش توان و راندمان خروجي توربين و همچنين كاهش مصرف سوخت خواهد شد.

[spow 44197]

سيل‌هاي سايش‌پذير يكي از انواع سيل‌هاي پيشرفته است كه در توربين‌هاي صنعتي گسترش يافته است. همانطوري‌كه از نام آن مشخص است، مواد سايش‌پذير بوسيله پره‌هاي متحرك در حين سرويس سائيده مي‌شوند. اين مواد بر روي كيسينگ يا شرود توربين‌هاي بخار و يا گاز، اعمال شده و باعث كاهش لقي، در حدي كه رسيدن به آن بوسيله ابزارهاي مكانيكي مشكل است، مي‌شوند. سيل‌هاي سايش‌پذير در توربين‌هاي گازي به عنوان يك وسيله نسبتاً‌كم‌هزينه و نياز به كار مهندس كم هستند. سيل‌هاي سايش‌پذير از 1960 در توربين‌هاي گازي هوايي مورد استفاده قرار گرفته است. گرچه در توربين‌هاي گازي زميني توليد نيرو كمتر مورد توجه بوده اما با افزايش قيمت سوخت و پيشرفت در مواد و افزايش قابليت براي كاربردهاي طولاني مدت، استفاده از اين مواد در صنايع توليد نيرو نيز در حال گسترش هستند.

همانطوري‌كه گفته شد مواد سيل‌هاي سايش‌پذير براي كاهش لقي نوك پره در حين كاركرد مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بدون سيل‌هاي سايش‌پذير لقي سرد بين نوك پره و شرود بايد به اندازه كافي بزرگ باشد تا از تماس در حين كاركرد جلوگيري شود. استفاده از سيل‌هاي سايش‌پذير اجازه مي‌دهد كه لقي سرد، با اطمينان از اينكه چنانچه تماسي در حين كاركرد بين پره متحرك و شرود برقرار شود ماده فدا شونده مواد سايش‌پذير باشد و نه نوك پره، كاهش يابد. همچنين مواد سايش‌پذير باعث بسته‌تر شدن لقي ناشي از خروج از دايروي بودن معمول بدنه و يا شرود و يا حركات جانبي روتور نسبت به شرود كيسينگ مي‌شود. در چنين حالتي مواد شرود بصورت موضعي، نسبت به نوك پره‌هاي روتور در فصل مشترك تماس در حين كاركرد بيشتر سائيده مي‌شوند.

[spow 44197]

موقعيت‌هاي بكارگيري

مي‌توان بصورت نمونه مناطق بكارگيري سيل‌هاي سايش‌پذير را در جهت كاهش لقي نوك پره‌هاي متحرك را در يك نمونه توربين گازي صنعتي نشان داد. اين مكانها شامل نوك پره كمپرسور و پوسته بيروني و شرودهاي ثابت بيروني پره‌هاي رديف اول فاقد شرود و پره‌هاي رديف دوم و سوم شرود‌دار توربين گازي كلاس e هستند.

[spow 44197]

ملاحظات طراحي در مواد سايش‌پذير

سيل‌هاي سايش‌پذير با توجه به قابليت دمايي آنها بصورت زير طبقه‌بندي مي‌شوند:

- دما پايين، معمولاً براي كمپرسورهاي lp- دماي محيط تا 400 درجه سانتي‌گراد

- دما متوسط، براي كمپرسورهاي lp و hp- دماي محيط تا 760 درجه سانتي‌گراد

- دما بالا براي توربين‌هاي hp – دماي 760 درجه سانتي‌گراد تا 1150 درجه سانتي‌گراد

و يا مواد سايش‌پذير را مي‌توان با توجه به روش بكارگيري آنها بصورت زير تقسيم‌بندي كرد.

- ريخته‌گري براي مواد سايش‌پذير پايه پليمري

- بريزينگ يا اتصال نفوذي براي مواد فيبري و يا لانه زنبوري (ساختار فلزي متخلخل)

- پوشش‌دهي پاشش حرارتي براي رنج وسيعي از مواد كامپوزيتي پودري

سيل‌هاي سايش پذير ساختارهاي با استحكام پاييني هستند تا سايش بدون تخريب نوك پره اتفاق بيافتد. نتيجتاً اين مواد آسيب‌پذير و مستعد به سايش ذرات جامد و گاز هستند. ضمناً ساختار مواد سايش‌پذير به خاطر متخلخل بودن مواد اصلي مي‌تواند در برابر شوك‌هاي حرارتي كه در توربين‌هاي گاز اتفاق مي‌افتد مستعد به اكسيداسيون باشد. اين تضاد خواص بايد در طراحي سيل‌هاي سايش‌پذير در نظر گرفته شود. بنابراين سيل‌هاي سايش‌پذير، بعنوان يك سيستم تريبيولوژيكي كامل است كه در آن بايد حركات نسبي و عمق برش نوك پره، سرعت نوك پره و نرخ هجوم، درجه حرارت محيط، آلودگيهاي سيال حامل، هندسه و جنس عنصر يا عامل برنده در نظر گرفته شود.

طراحي مناسب يك سيستم سايش‌پذير براي يك كاربرد ماشين، آن را براي آن كاربرد منحصر به فرد مي‌كند. علي‌رغم در دسترس بودن برخي مواد سيل‌هاي سايش‌پذير، بايد اصلاح و طراحي مجدد بر روي آن براي كاربرد مورد نظر انجام گيرد. در برخي كاربردها براي رسيدن به الزامات طراحي در فرآيند تكنولوژي سيل‌هاي سايش‌پذير تست‌هاي متعددي انجام مي‌شود. تست‌هاي مانند سايش، اكسيداسيون، شوك حرارتي، استحكام كششي و تخلخل.

[spow 44197]

مواد سايش‌پذير متداول

درجه حرارت كاربرد اين مواد از كمپرسور (تا 550 درجه سانتي‌گراد) تا درجه حرارت توربين (1350 درجه سانتي‌گراد) متغير است.

بطور كلي براي قسمت فعال سيل، مواد و ساختار منتخب بايد نيازهاي زير را برآورده كنند.

1- مناسب براي حركات محوري و شعاعي روتور

2- حداقل كردن نشتي در فضاي بين نوك پره توربين

3- ساختار متراكم محوري براي حداقل كردن نشتي در جهت جريان گاز خروجي

4- پايداري مكانيكي براي مقاومت در برابر حالتهاي گذرا و شيب‌هاي حرارتي و فشار

5- نوك پره (روتور بدون شرود) يا فين (روتور شروددار) در تماس با سيل ساينده نبايد تخريب شوند

6- عمر اكسيداسيون و سايش آنها بايد حداقل چندصد ساعت بيشتر از ساعت سرويس در اتمسفر گاز داغ باشد.

[spow 44197]

مواد سايش‌پذير پيشرفته

مواد آلياژي پيشرفته مقاوم به اكسيداسيون در ساختار لانه زنبوري

سوپر آلياژهاي پايه نيكل از قبيل HastelloyX و Hanynes214 در حال حاضر بعنوان مواد پيشرفته در سيل‌هاي لانه زنبوري استفاده مي‌شوند. سيل لانه زنبوري از فويل‌هاي نازك فلزي ساخته مي‌شوند. (ضخامت 70-130mm)‌و سپس به صفحه پشت بند سيل بريز مي‌شوند. قابليت حرارتي HastelloyX تشكيل‌دهنده اكسيد كروم، تا 950 درجه سانتي‌گراد است. در مقابل آلياژ Haynes214 تشكيل دهند اكسيد آلومينيوم مي‌تواند تا 1200 درجه سانتي‌گراد بكار روند اما عمر سيل به خاطر اكسيداسيون داخلي و تشكيل اكسيدهاي آلومينيوم سريع رشد كننده در دماهاي پايين، كاهش مي‌يابد. بهبود در مقاومت به اكسيداسيون را مي‌توان با افزايش مقدار Al بوسيله آلياژ‌سازي يا پوشش ايجاد كرد. يك روش موثر براي افزايش مقاومت به اكسيداسيون مواد لانه‌زنبوري توجه به مواد فويل جايگزين از قبيل آلياژهاي FeAlCr است. اين آلياژها تشكيل‌دهنده اكسيد آلومينيوم با مقاومت به اكسيداسيون بالاتر از سوپرآلياژهاي پايه نيكل به خصوص در درجه حرارت‌هاي سيكلي بين 700 درجه سانتي‌گراد و 1200 درجه سانتي‌گراد هستند.

ارزيابي نرخ اكسيداسيون ثابت و تواني در اتمسفر گاز داغ خروجي مانند تخمين با استفاده از مدل عمر اكسيداسيون نشان مي‌دهد. آلياژهاي FeCrAl نسبت به آلياژهاي پايه نيكل در درجه حرارتهاي سيكلي حدود 1200-700 درجه سانتي‌گراد، ارجح ‌تر هستند.

[spow 44197]

ساختارهاي كروي توخالي فلزي بعنوان جزء سيل فعال

ساختارهاي كروي توخالي كلاس جديدي از مواد سبك وزن در گروه خانواده مواد سلولي هستند. خواص بهينه مربوط به سيستم سيل را مي‌توان با تغييرات تركيب شيميايي آلياژ فلزي، اندازه كره وضخامت ديواره كره و بعلاوه تخلخل پوسته بدست آورد. براي ساخت ساختارهاي كروي توخالي پودر الياژ FeCrAl مربوطه متمايز مي‌شود. سپس دو غاب پودر آلياژ FeCrAl – چسب- ماده آلي بر روي كره‌هاي استروفوم اسپري مي‌شود. كره‌هاي استروفوم پوشش داده شده بعنوان قسمت فعال سيل با شكل هندسي مورد نياز مونتاژ مي‌شوند. براي زينترينگ و چسب‌زدايي و توليد سيل كروي توخالي عمليات حرارتي بر روي آنها انجام مي‌شود. آزمايشهاي اكسيداسيون سيكلي نشان داده است كه ساختارهاي كروي توخالي داراي مقاومت به اكسيداسيون خوب و شبيه به سيل‌هاي لانه‌زنبوري FeCrAl هستند.

[spow 44197]

ساختارهاي فيبري آلياژ فلزي بعنوان جزء سيل فعال

ساختارهاي فيبري داراي قابليت بهينه كردن سايش‌پذيري و مقاومت به اكسيداسيون بوسيله تغييرات تركيب آلياژ فيبر، ضخامت و دانسيته ساختار فيبر،‌ بعلاوه بافت فيبر هستند. براي ساخت ساختارهاي فيبري زينتر شده يك فرآيند خاص بنام استخراج ذوب بوته‌اي براي توليد فيبرهاي لازم در موسسه IFAM گسترش يافته است. به جاي كشش و ماشينكاري، فيبرهاي فلزي مستقيماً از مذاب با استفاده از يك وسيله استخراجي چرخشي خنك‌شونده با آب بدست مي‌آيد. در اين روش مي‌توان فيبرهايي با طول بين 3 تا 25 ميليمتر توليد كرد. سپس فيبرها بوسيله روش‌هاي رسوب‌گذاري به منظور توليد قطعه سيل فعال زينتر مي‌شوند. آزمايش‌هاي اكسيداسيون سيكلي با ساختارهاي فيبري از آلياژ FeCrAl مقاومت به اكسيداسيون ضعيف‌تري را نشان داده است. براي رسيدن به مقاومت به اكسيداسيون مورد نظر، ضخامت فيبر،‌ تركيب‌ آلياژ و دانسيته ساختار بايد بهبود يابد. با توجه به نتايج آزمايش سايش، سيل‌هاي ساختار فيبري نسبت به ساختارهاي ديگر در روتورهاي شروددار، خواص سايش‌پذيري عالي را نشان داده‌اند.

[spow 44197]

سراميك‌هاي سايش‌پذير بعنوان قطعات سيل فعال

مواد سايش‌پذير سراميكي داراي مقاومت به اكسيداسيون بهتري نسبت به الياژهاي فلزي هستند. بعلاوه لايه سراميكي مي‌تواند به عنوان پوشش سد حرارتي عمل كرده و درجه حرارت سيل را زير دماي بحراني فلز نگهدارد. سيل‌هاي هوايي توربين با مواد سايش‌پذير سراميكي بعنوان قطعه سيل فعال، بصورت يكسري ريل‌هاي موازي، كه روي صفحه پشت‌بند سيل ماشينكاري شده‌اند، هستند. ريل‌ها با پوشش مواد سراميكي متخلخل كه بروش پاشش حرارتي رسوب‌ داده مي‌شوند، پر مي‌شوند. شركت Sulzer Metco يك روش تركيبي ريخته‌گري دقيق و پاشش حرارتي را براي توليد اين قطعات ابداع كرده است.

دو ماده منتخب اصلي براي پوشش سراميكي اكسيدهاي آلومينيوم و زيركونيم هستند كه هر دو، تا دماي 1200 درجه سانتي‌گراد مناسب هستند. با توجه به نتايج آزمايش سايش، پوشش‌هاي سراميكي متخلخل خواص سايش‌پذيري ضعيفي را از خود نشان داده‌اند. به منظور جلوگيري از تخريب نوك پره توربين به خصوص براي روتورهاي شرود دار در پيك درجه حرارت تقريباً‌1400 درجه سانتي‌گراد يك لايه سراميكي ثانويه با قابليت سايش‌پذيري مناسب روي لايه اول اسپري مي‌شود. استفاده از پوشش‌هاي سايش‌پذير زيركونيا نتايج خوبي در زمينه سايش‌پذيري، مقاومت به سايش، مقاومت به شوك حرارتي در موتورهاي جت جديد از خود نشان داده است.

[spow 44197]

تست‌هاي مواد سايش‌پذير

تست‌هاي آزمايشگاهي عملكرد سايش‌پذيري عبارتند از:

1- آزمايش سايش پذيري با استفاده از ريگ سايش

2- بررسي عمر اكسيداسيون با استفاده از آزمايش تشديد شده اكسيداسيون كوره‌اي استاتيك

آزمايش‌هاي بررسي خواص پوشش سايش‌پذير عبارتند از:

1- بررسي تخلخل با استفاده از تحليل‌گر تصوير

2- سختي‌سنجي با آزمايش سختي R15Y

3- تست كشش بر اساس استاندارد ASTM C633-79

4- آزمايش سايش بر اساس استاندارد ASTM G76

بررسيهايي توسط chapel و همكارانش در جهت استاندارسازي برخي مواد سايش‌پذير انجام شده كه مواد مورد استفاده و نتايج بررسيها در جداول 1 و 2 ارايه شده است.

[spow 44197]

سيل‌هاي سايش‌پذير مورد استفاده در توربين كلاس E و نتايج حاصله

درجه حرارت سطح شرودهاي ثابت رديف اول در اين توربين كه روي آن مواد سايش‌پذير قرار مي‌گيرد، در محدوده بالايي مواد سايش‌پذير دما متوسط قرار مي‌گيرد. براي كاربردهاي دما متوسط معمولاً پودرهاي آلياژي پايه Ni يا Co بعنوان زمينه سيل سايش پذير مورد استفاده قرار مي‌گيرد. فازهاي ديگري براي ساخت ماده سايش‌پذير به پودرهاي فلزي اضافه مي‌شود. اين فازها اضافه‌ شده معمولاً مواد پليمري هستند كه بعنوان مواد فرار براي ايجاد تخلخل پوشش بكار مي‌روند. بعلاوه فازهاي ديگري ممكن است بعنوان عناصر فرار بكار گرفته شوند. اين ماده با نام تجاري CT50 توسط شركت GE معرفي شده است. نتايج حاصل از اعمال پوشش‌هاي مذكور در رديف اول برخي از توربين‌ها در جدول 3 ارايه شده است. تا سال 2002 پوشش‌هاي سايش‌پذير GT50 بر روي 198 واحد از توربين‌هاي فريم 3 تا فريم 9 اعمال شده است. با توجه به اينكه پوشش‌‌هاي سايش‌پذير به مرور زمان اكسيد مي‌شوند،‌مزاياي مذكور نيز كاهش مي‌يابد لذا تلاش‌هاي زيادي براي بهبود مقاومت به اكسيداسيون و عمر پوشش در حال انجام است.

وقتي عمر توربين گاز زياد مي‌شود به خاطر سايش نوك پره، انحراف محور روتور، انحراف كيسينگ استاتور، لقي سرتاسري بين پره و شرود رديف اول افزايش مي‌يابد. نشان داده شده است استفاه از پوشش‌هاي سايش‌پذير مزاياي بيشتري روي توربين‌هاي گازي قديمي دارند. به همين دليل پوشش‌هاي سايش‌پذير را مي‌توان عمدتاً‌بر روي شرودهاي با حداقل ساعت كاركرد كمتر از 24000 ساعت استفاده كرد.

پره‌هاي رديف‌هاي دوم و سوم توربين‌هاي كلاس E شروددار هستند. مواد سايش‌پذير مورد استفاده بر روي اين رديف‌ها مواد با ساختار لانه زنبوري است. لبه‌هاي نوك پره (ريل‌ها) داراي دندانه‌هاي برنده ماشينكاري شده به منظور افزايش قابليت برندگي هستند. مكانيزم سايش براي ساختار لانه‌زنبوري تغيير فرم ديواره‌هاي نازك و سايش است. در شكل تصوير نوارهاي لانه زنبوري نصب شده بر روي شرود توربين را نشان مي‌دهد. نتايج حاصل از بكارگيري مواد سايش‌پذير لانه زنبوري در پره‌هاي رديف دوم و سوم برخي از توربين‌ها در جدول 4 ارايه شده است.

تعداد توربين‌هاي فريم 5 تا فريم 9، كه تا سال 2002 از شرودهاي لانه زنبوري در رديف‌هاي دوم و سوم استفاده كرده‌اند به ترتيب 867 و 792 واحد است.

[spow 44197]

نگاهي به وضعيت توليد واحدهاي قديمي در داخل كشور

وضعيت توليد يكي از انواع مولدهاي گازي قديمي پرتعداد در داخل كشور (فريم 5) به صورت نمونه در سال 1384 در جدول 5 ارايه شده است. همانطوريكه ملاحظه مي‌شود فاصله توليد واقعي اين واحدها نسبت به توان اسمي قابل توجه است (636 مگاوات). يكي از دلايل پايين بودن توان توليد اين واحدها مي‌تواند ناشي از افزايش لقي ‌هاي مجاز در اثر تغييرات بوجود آمده در اثر كاركرد طولاني مدت در برخي از اجزاء توربين و كمپرسور باشد كه با استفاده از مواد سايش‌پذير مناسب مي‌توان تا حدي (حدود 150 مگاوات) از عدم توليد اين واحدها را جبران كرد.

[spow 44197]

جمع‌بندي

1- استفاده از مواد سايش‌پذير بعنوان يك روش آببندي موثر اجزاي كمپرسور و توربين در صنايع توليد نيرو در حال گسترش است.

2- تحقيقات به منظور استفاده از مواد با قابليت كاربرد در دماهاي بالا و داراي مقاومت به اكسيداسيون و در نتيجه عمر بالا در حال انجام است.

3- استفاده از سيل‌هاي سايش پذير روي بخش‌هايي از توربين‌هاي گازي كلاس e درطول چند سال اخير گسترش يافته و نتايج منتشر شده از اجراي آن بر روي واحدهاي مختلف، تاثير مثبت آن را نشان داده است.

4- استفاده از مواد سايش‌پذير بر روي توربين‌هاي قديمي تاثير مثبت بيشتري از خود نشان داده است لذا با توجه به وجود توربين‌هاي با عمر طولاني بالا و راندمان پايين در داخل كشور از تكنولوژي مذكور مي‌توان در جهت افزايش راندمان و بهره‌وري آنها استفاده كرد.