مقدمه
سيل ها در انتهاي پوسته توربين جهت جلوگيري از نشت بخار به خارج از پوسته و ورود هوا به داخل پوسته بكار مي روند. به عنوان مثال، در یک توربين فشار فشار بالا، در قسمت IP به علت بالا بودن فشار بايد از نشت بخار و در قسمت LP به علت پايين بودن فشار بايد از ورود هوا به داخل پوسته جلوگيري نمود. خروج بخار باعث كاهش راندمان توربين شده و ورود هوا نيز باعث اختلال در عملكرد سيكل مي گردد.
معرفي انواع seal strip و آرايش آنها
روش آب بندي غير تماسي seal strip روشي است كه سازنده براي آب بندي بين قطعات ثابت و متحرك بكار مي برد. در شكل 1 استفاده از seal strip براي آب بندي دو سر پوسته يك توربين نشان داده شده است. به علت اختلاف فشار بين داخل پوسته و خارج آن، بخار تمايل به خروج از پوسته و ورود به هواي آزاد را دارد. وجود مجموعه اي از seal strip ها به صورت يك مانع عمل كرده، با يك فرآيند خفگي (throttle) باعث كاهش فشار در هر مرحله و در نتيجه كاهش دبي جرمي عبوري خواهد شد. مقدار بخار عبوري از seal strip ها توسط سيستم seal & gland كنترل شده و به مصرف قسمت LP رسيده و يا به كندانسور وارد مي شود.
شكل(1) استفاده از Seal Strips براي آب بندي بين پوسته و روتور
دو نوع seal strip را می توان در توربينهاي بخاری مورد استفاده داد كه در شكل 2 با نام هاي A و B نشان داده شده است. در انتخاب seal strip بايد به مسايل زير دقت نمود:
- راندمان سيل يعني توانايي كاهش فشار و در نتيجه كاهش دبي جرمي
- تحمل تنش خمشي ايجاد شده در مقطع ريشه سيل به علت اختلاف فشار در دو طرف آن
- فركانس طبيعي سيل نصب شده
هر چه يك سيل نازك تر باشد راندمان آن بهتر مي باشد و دبي جرمي كمتري را عبور خواهد داد. بنابراين سيل نازك بر سيل ضخيم برتري دارد. در مواردي مانند قسمتهاي HP و IP كه اختلاف فشار بين دو طرف سيل زياد است به علت تنش هاي بالاي ايجاد شده، نمي توان از سيل هاي نازك مانند نوع A استفاده نمود. همچنين استفاده از سيل ضخيم راندمان را كم مي كند. برای حل اين مشكل مي توان از سيل نوع B استفاده نمود كه در نوك نازك و در نتيجه راندمان خوبي دارد و همچنين در ريشه ضخيم است و در نتيجه توانايي تحمل تنش بالايي را دارد. البته بايد توجه داشت كه اين سيل ها گرانتر از سيلهاي نوع A مي باشد.
شكل (2) مدل هاي مختلف seal strips
در شكل 3 انواع آرايش سيل ها نشان داده شده است. معمولا بين روتور و پوسته از آرايش هاي 1,2,3 استفاده مي شود و آرايشهاي 4,5,6 بيشتر در آب بندي بين پره و روتور و يا پره ها و پوسته كاربرد دارد.
شكل (3) انواع آرايش سيل ها
در ذيل خصوصيات هر كدام از آرايش ها و كاربرد آنها توضيح داده خواهد شد:
Labyrinth: اين آرايش راندمان خوبي دارد و هم بين پوسته و روتور و هم در پره ها استفاده مي شود. معمولا در قسمتهاي HP و IP و جاهايي كه انبساط محوري كم مي باشد استفاده مي شود. در صورتي كه انبساط محوري زياد باشد بايد جهت جلوگيري از برخورد فاصله بين سيل ها را زياد كرد كه اين امر باعث كاهش راندمان سيل مي شود.
Tip to Tip: اين آرايش كارآيي كمتري نسبت به Labyrinth دارد. اما در مواقعي كه انبساط طولي زياد است بهتر است از اين آرايش استفاده نمود. معمولا در قسمتهاي LP نيز كه افت فشار كمتر است از اين آرايش استفاده مي شود. همچنين در قطعاتي كه به صورت يك دايره كامل هستند و دو تكه نمي باشد به علت امكان مونتاژ از اين آرايش مي توان استفاده نمود. همچنين محاسبات نشان مي دهد كه در پره هاي LP كه لقي شعاعي حدود 0.9mm است حالت بهینه اين آرايش بدست مي آيد. اين نتيجه مستقل از موقعيت ياتاقان تراست مي باشد.
Straight through: اين آرايش راندمان كمتري نسبت به آرايش هاي 1و 2 دارد. اما از لحاظ اقتصادي به صرفه تر است. در مواردي كه طول آب بندي به اندازه كافي زياد و افت فشار كم است مي توان از اين آرايش استفاده نمود.
Castellated: اين آرايش، بيشتر براي پره ها استفاده مي شود و راندمان بسيار خوبي دارد. همچنين جهت كاهش وزن shroud و در نتيجه كاهش نيروهاي وارد بر پره نيز از اين آرايش استفاده مي شود. جهت استفاده از اين آرايش بايد پهناي shroud به اندازه مناسب باشد. همچنين ماشين كاري اين آرايش هزينه بر است.
Castellated with scalloped surface: تجربه نشان داده است كه با اضافه كردن يك شيار مطابق شكل نشان داده شده به آرايش castellated در جهت مقابل جريان راندمان آن بسيار افزايش مي يابد. ضعف اين آرايش مشكل بودن ماشين كاري شيار مرد نظر مي باشد.
Stepped: اين آرايش، بيشتر براي پره ها بكار مي رود و راندمان خوبي دارد. ماشين كاري اين آرايش نيز سخت است. در مواقعي كه شيب مسير جريان زياد است اين آرايش بسيار مناسب است. همچنين اين آرايش باعث كاهش وزن پره مي شود.
در توربين شکل 4، تنها آرايش هاي Labyrinth و Tip to Tip مورد استفاده قرار گرفته اند. در قسمت IP آرايش نوع 1 و در قسمت LP آرايش نوع 2 بكار برده شده است. در این شكل، سيل هاي مربوط به قسمت IP بين روتور و پوسته توربين نشان داده شده است. همان طور كه مشاهده مي گردد از آرايش Labyrinth استفاده شده است. در شكل 5 سيل هاي مربوط به قسمت LP توربين نشان داده شده است. به علت بالا بودن انبساط محوري در اين ناحيه و همچنين امكان مونتاژ shaft seal casing و bearing casing از آرايش Tip to Tip استفاده شده است.
شكل (4) نقشه sealing قسمت IP توربين
شكل (5) نقشه sealing قسمت LP توربين
محاسبه دبي جرمي نشتي از سيل
براي محاسبه نشتي سيل دو روش Stodola و *Beta بكار برده مي شود. روش Stodola روش قديمي تري است و تنها براي آرايش labyrinth كاربرد دارد. در اين روش دبي جرمي طبق فرمول زير بدست مي آيد:
A سطح مقطع عبور جريان در سيل، p1 و p2 به ترتيب فشار در بالا دست و پايين دست سيل، z تعداد سيلهاي درگير، v1 حجم مخصوص بخار در ورودي سيل و Alpha يك ضريب است كه با توجه به هندسه و آرايش سيل بدست مي آيد.
روش *Beta براي همه آرايش ها كاربرد دارد. در اين روش براي همه آرايش ها از يك فرمول استفاده مي شود و فقط ضريب *Beta فرق مي كند كه اين ضريب وابسته به نوع آرايش و هندسه آن قابل محاسبه است. در اين روش نشتي طبق فرمول زير بدست مي آيد:
A سطح مقطع عبور جريان در سيل، و p1 و p2 به ترتيب فشار در بالا دست و پايين دست سيل، L طول كلي سيلهاي درگير، s لقي شعاعي، v1 حجم مخصوص بخار در ورودي سيل و Alpha يك ضريب است كه با توجه به هندسه و آرايش سيل بدست مي آيد. سطح مقطع عبور جريان نيز طبق فرمول زير محاسبه مي شود:
در فرمول فوق d قطر متوسط است. در شكلهاي 6 تا 10 پارامترهاي هندسي بكار برده شده در فرمول هاي فوق براي آرايش هاي مختلف نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده مي شود با افزايش اختلاف فشار در دو طرف سيل مقدار نشتي افزايش پيدا مي كند. همچنين مقدار نشتي با افزايش طول آب بندي كاهش و با افزايش لقي شعاعي افزايش پيدا مي كند. هر چه قطر آب بندي بيشتر باشد مقدار مساحت A و در نتيجه نشتي افزايش پيدا مي كند.
مقدار *Beta براي آرايشهاي مختلف از روابط زير بدست مي آيد :
مقدار *Beta تابع پارامتر يعني نسبت گام به لقي شعاعي مي باشد. در فرمول هاي فوق مبناي لگاريتم عدد e مي باشد به بيان ديگر Log = Ln است. همچنين فرمولهاي فوق در محدوده زير اعتبار دارند :
Labyrinth Seals:
Tip-to-Tip Seals:
در روابط فوق h ارتفاع سيل مي باشد. هنگامي كه سيل هاي روي پوسته و روتور هم اندازه نيستند بايد از ميانگين ارتفاع سيل ها استفاده كرد. شكلهاي 6 تا 10 پارامترهاي هندسي بكار رفته در روابط فوق را بر حسب نوع آرايش نشان مي دهند.
شكل (6) مشخصات هندسي آرايش labyrinth
شكل (7) مشخصات هندسي آرايش Tip to Tip
شكل(8) مشخصات هندسي آرايش straight-through
شكل (9) مشخصات هندسي آرايش castellated
شكل (10) مشخصات هندسي آرايش stepped
شكل 11 مقدار *Beta را بر حسب و نوع آرايش مي دهد. همان طور كه از شكل پيداست براي آرايشهاي Tip to Tip و Straight through يك منطقه بهينه وجود دارد كه هر چه از آن دور شويم مقدار نشتي بيشتر مي شود و طراحي بايد در اين منطقه صورت گيرد. همچنين آرايش Labyrinth از دو آرايش ديگر كار آمدتر است و نشتي كمتري دارد. شكل 12 وابستگي پارامتر *Beta را به هندسه سيل بر حسب نوع آرايش نشان مي دهد و ديد خوبي را به طراح جهت انتخاب منطقه بهينه ارايه مي دهد.
همچنين لازم به ذكر است كه روش *Beta يك ضريب 1.25 جهت در نظر گرفتن انحرافات شرايط كاري نسبت به شرايط آزمايشگاهي را بر روي نشتي جرمي در بر دارد. در آرايش labyrinth براي طراحي ابتدا لقي بين پوسته و روتور و لقي مورد نياز بين سر سيل و روتور و يا پوسته تعيين شده و بر اساس آن ارتفاع سيل ها تعيين مي شود. در آرايش tip to tip جهت داشتن حالت اپتيموم، هندسه آرايش بر اساس لقي شعاعي بدست مي آيد. به بيان ديگر در اين آرايش با انتخاب لقي شعاعي ساير اندازه ها تعيين مي شوند. جدول 1 جهت اين امر بكار مي رود
شكل (11) مقدار براي آرايشهاي مختلف بر حسب t/s
جدول (1) هندسه آرايش tip to tip بر اساس لقي شعاعي
شكل (12) رابطه بين با هندسه seal