up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله آب بندي کمپرسور PDF
QR code - آب بندي کمپرسور

آب بندي کمپرسور

آب بندي اجزاي کمپرسور و توربين با استفاده از مواد سايش پذير، به منظور افزايش راندم

آب بندي در توربو ماشينها در فصل مشترک قطعات ثابت و متحرک به منظور کنترل جريانات نشتي و خنک کننده لازم و ضروري است. کنترل لقي موجود در بين قطعات متحرک و ثابت باعث بهبود عملکرد توربو ماشين و عمر قطعات مي شود. يکي از مواد مورد استفاده در سيستم هاي جديد آببندي، مواد سايش پذير است.
در اين مقاله به بررسي مواد سايش پذير، از لحاظ ترکيب شيميايي، موقعيتهاي بکارگيري، ملاحظات طراحي، ساختار و روش اعمال آنها در اجزاء کمپرسور و توربين پرداخته شده و در نهايت نتايج حاصل از بکارگيري اين مواد در توربين هاي کلاس E ارايه شده است.
تقاضا براي بهبود راندمان و توان خروجي توربينهاي گازي جديد و موجود در حال افزايش است. اين تقاضا منجر به کوشش هاي زيادي در جهت بهبود عملکرد در قطعات مختلف توربين شده است. آببندي در توربو ماشينها از مسائل مهم در کنترل لقي و موثر ترين راه در بهبود عملکرد سيستم است. راندمان سيکلي، عمر عملکردي و پايداري سيستم بستگي به طراحي و بکارگيري آببند (سيل) موثر است. بهبود آببندي بين قطعات ثابت و متحرک در توربين هاي گازي و بخاري مي تواند نشتي گاز و يا بخار را کاهش داده و در نتيجه منجر به بهبود عملکرد راندمان و توان خروجي توربين شود. فاصله هواي موجود بين نوک پره هاي متحرک و شرود و يا بدنه از مکانهايي است که نشتي در آن حائز اهميت بوده و در طراحي با توجه به شرايط کاري، مقداري لقي مجاز براي جلوگيري از تماس نوک پره و شروع لحاظ مي شود. لقي هاي ناکافي جريانات خنک کننده را محدود کرده، باعث سايش در نقاط تماس شده، باعث ناپايداري توربو ماشين و همچنين آسيب به سيستم مي شود. لقي هاي اضافي نيز منجر به کاهش راندمان سيکلي، ناپايداري جريان و نفوذ گاز داغ در فضاهاي خالي ديسک و کاهش عمر ديسک مي شود. استفاده از حداقل فاصله هوايي باعث کاهش نشتي و در نتيجه باعث افزايش توان و راندمان خروجي توربين و همچنين کاهش مصرف سوخت خواهد شد.
سيل هاي سايش پذير يکي از انواع سيل هاي پيشرفته است که در توربين هاي صنعتي گسترش يافته است. همانطوري که از نام آن مشخص است، مواد سايش پذير بوسيله پره هاي متحرک در حين سرويس سائيده مي شوند. اين مواد بر روي کيسينگ يا شرود توربين هاي بخار و يا گاز، اعمال شده و باعث کاهش لقي، در حدي که رسيدن به آن بوسيله ابزارهاي مکانيکي مشکل است، مي شوند. سيل هاي سايش پذير در توربين هاي گازي به عنوان يک وسيله نسبتاً کم هزينه و نياز به کار مهندس کم هستند. سيل هاي سايش پذير از ۱۹۶۰ در توربين هاي گازي هوايي مورد استفاده قرار گرفته است. گرچه در توربين هاي گازي زميني توليد نيرو کمتر مورد توجه بوده اما با افزايش قيمت سوخت و پيشرفت در مواد و افزايش قابليت براي کاربردهاي طولاني مدت، استفاده از اين مواد در صنايع توليد نيرو نيز در حال گسترش هستند.
همانطوري که گفته شد مواد سيل هاي سايش پذير براي کاهش لقي نوک پره در حين کارکرد مورد استفاده قرار مي گيرد. بدون سيل هاي سايش پذير لقي سرد بين نوک پره و شرود بايد به اندازه کافي بزرگ باشد تا از تماس در حين کارکرد جلوگيري شود. استفاده از سيل هاي سايش پذير اجازه مي دهد که لقي سرد، با اطمينان از اينکه چنانچه تماسي در حين کارکرد بين پره متحرک و شرود برقرار شود ماده فدا شونده مواد سايش پذير باشد و نه نوک پره، کاهش يابد. همچنين مواد سايش پذير باعث بسته تر شدن لقي ناشي از خروج از دايروي بودن معمول بدنه و يا شرود و يا حرکات جانبي روتور نسبت به شرود کيسينگ مي شود. در چنين حالتي مواد شرود بصورت موضعي، نسبت به نوک پره هاي روتور در فصل مشترک تماس در حين کارکرد بيشتر سائيده مي شوند.
● موقعيت هاي بکارگيري
مي توان بصورت نمونه مناطق بکارگيري سيل هاي سايش پذير را در جهت کاهش لقي نوک پره هاي متحرک را در يک نمونه توربين گازي صنعتي نشان داد. اين مکانها شامل نوک پره کمپرسور و پوسته بيروني و شرودهاي ثابت بيروني پره هاي رديف اول فاقد شرود و پره هاي رديف دوم و سوم شرود دار توربين گازي کلاس E هستند.
● ملاحظات طراحي در مواد سايش پذير
سيل هاي سايش پذير با توجه به قابليت دمايي آنها بصورت زير طبقه بندي مي شوند:
▪ دما پايين، معمولاً براي کمپرسورهاي LP- دماي محيط تا ۴۰۰ درجه سانتي گراد
▪ دما متوسط، براي کمپرسورهاي LP و HP- دماي محيط تا ۷۶۰ درجه سانتي گراد
▪ دما بالا براي توربين هاي HP – دماي ۷۶۰ درجه سانتي گراد تا ۱۱۵۰ درجه سانتي گراد
و يا مواد سايش پذير را مي توان با توجه به روش بکارگيري آنها بصورت زير تقسيم بندي کرد.
▪ ريخته گري براي مواد سايش پذير پايه پليمري
▪ بريزينگ يا اتصال نفوذي براي مواد فيبري و يا لانه زنبوري (ساختار فلزي متخلخل)
▪ پوشش دهي پاشش حرارتي براي رنج وسيعي از مواد کامپوزيتي پودري
سيل هاي سايش پذير ساختارهاي با استحکام پاييني هستند تا سايش بدون تخريب نوک پره اتفاق بيافتد. نتيجتاً اين مواد آسيب پذير و مستعد به سايش ذرات جامد و گاز هستند. ضمناً ساختار مواد سايش پذير به خاطر متخلخل بودن مواد اصلي مي تواند در برابر شوک هاي حرارتي که در توربين هاي گاز اتفاق مي افتد مستعد به اکسيداسيون باشد. اين تضاد خواص بايد در طراحي سيل هاي سايش پذير در نظر گرفته شود. بنابراين سيل هاي سايش پذير، بعنوان يک سيستم تريبيولوژيکي کامل است که در آن بايد حرکات نسبي و عمق برش نوک پره، سرعت نوک پره و نرخ هجوم، درجه حرارت محيط، آلودگيهاي سيال حامل، هندسه و جنس عنصر يا عامل برنده در نظر گرفته شود.
طراحي مناسب يک سيستم سايش پذير براي يک کاربرد ماشين، آن را براي آن کاربرد منحصر به فرد مي کند. علي رغم در دسترس بودن برخي مواد سيل هاي سايش پذير، بايد اصلاح و طراحي مجدد بر روي آن براي کاربرد مورد نظر انجام گيرد. در برخي کاربردها براي رسيدن به الزامات طراحي در فرآيند تکنولوژي سيل هاي سايش پذير تست هاي متعددي انجام مي شود. تست هاي مانند سايش، اکسيداسيون، شوک حرارتي، استحکام کششي و تخلخل.
● مواد سايش پذير متداول
درجه حرارت کاربرد اين مواد از کمپرسور (تا ۵۵۰ درجه سانتي گراد) تا درجه حرارت توربين (۱۳۵۰ درجه سانتي گراد) متغير است.
بطور کلي براي قسمت فعال سيل، مواد و ساختار منتخب بايد نيازهاي زير را برآورده کنند.
۱) مناسب براي حرکات محوري و شعاعي روتور
۲) حداقل کردن نشتي در فضاي بين نوک پره توربين
۳) ساختار متراکم محوري براي حداقل کردن نشتي در جهت جريان گاز خروجي
۴) پايداري مکانيکي براي مقاومت در برابر حالتهاي گذرا و شيب هاي حرارتي و فشار
۵) نوک پره (روتور بدون شرود) يا فين (روتور شروددار) در تماس با سيل ساينده نبايد تخريب شوند
۶) عمر اکسيداسيون و سايش آنها بايد حداقل چندصد ساعت بيشتر از ساعت سرويس در اتمسفر گاز داغ باشد.
● مواد سايش پذير پيشرفته
مواد آلياژي پيشرفته مقاوم به اکسيداسيون در ساختار لانه زنبوري
سوپر آلياژهاي پايه نيکل از قبيل HastelloyX و Hanynes۲۱۴ در حال حاضر بعنوان مواد پيشرفته در سيل هاي لانه زنبوري استفاده مي شوند. سيل لانه زنبوري از فويل هاي نازک فلزي ساخته مي شوند. (ضخامت ۷۰-۱۳۰mm) و سپس به صفحه پشت بند سيل بريز مي شوند. قابليت حرارتي HastelloyX تشکيل دهنده اکسيد کروم، تا ۹۵۰ درجه سانتي گراد است. در مقابل آلياژ Haynes۲۱۴ تشکيل دهند اکسيد آلومينيوم مي تواند تا ۱۲۰۰ درجه سانتي گراد بکار روند اما عمر سيل به خاطر اکسيداسيون داخلي و تشکيل اکسيدهاي آلومينيوم سريع رشد کننده در دماهاي پايين، کاهش مي يابد. بهبود در مقاومت به اکسيداسيون را مي توان با افزايش مقدار Al بوسيله آلياژ سازي يا پوشش ايجاد کرد. يک روش موثر براي افزايش مقاومت به اکسيداسيون مواد لانه زنبوري توجه به مواد فويل جايگزين از قبيل آلياژهاي FeAlCr است. اين آلياژها تشکيل دهنده اکسيد آلومينيوم با مقاومت به اکسيداسيون بالاتر از سوپرآلياژهاي پايه نيکل به خصوص در درجه حرارت هاي سيکلي بين ۷۰۰ درجه سانتي گراد و ۱۲۰۰ درجه سانتي گراد هستند.
ارزيابي نرخ اکسيداسيون ثابت و تواني در اتمسفر گاز داغ خروجي مانند تخمين با استفاده از مدل عمر اکسيداسيون نشان مي دهد. آلياژهاي FeCrAl نسبت به آلياژهاي پايه نيکل در درجه حرارتهاي سيکلي حدود ۱۲۰۰-۷۰۰ درجه سانتي گراد، ارجح تر هستند.
● ساختارهاي کروي توخالي فلزي بعنوان جزء سيل فعال
ساختارهاي کروي توخالي کلاس جديدي از مواد سبک وزن در گروه خانواده مواد سلولي هستند. خواص بهينه مربوط به سيستم سيل را مي توان با تغييرات ترکيب شيميايي آلياژ فلزي، اندازه کره وضخامت ديواره کره و بعلاوه تخلخل پوسته بدست آورد. براي ساخت ساختارهاي کروي توخالي پودر الياژ FeCrAl مربوطه متمايز مي شود. سپس دو غاب پودر آلياژ FeCrAl – چسب- ماده آلي بر روي کره هاي استروفوم اسپري مي شود. کره هاي استروفوم پوشش داده شده بعنوان قسمت فعال سيل با شکل هندسي مورد نياز مونتاژ مي شوند. براي زينترينگ و چسب زدايي و توليد سيل کروي توخالي عمليات حرارتي بر روي آنها انجام مي شود. آزمايشهاي اکسيداسيون سيکلي نشان داده است که ساختارهاي کروي توخالي داراي مقاومت به اکسيداسيون خوب و شبيه به سيل هاي لانه زنبوري FeCrAl هستند.
● ساختارهاي فيبري آلياژ فلزي بعنوان جزء سيل فعال
ساختارهاي فيبري داراي قابليت بهينه کردن سايش پذيري و مقاومت به اکسيداسيون بوسيله تغييرات ترکيب آلياژ فيبر، ضخامت و دانسيته ساختار فيبر، بعلاوه بافت فيبر هستند. براي ساخت ساختارهاي فيبري زينتر شده يک فرآيند خاص بنام استخراج ذوب بوته اي براي توليد فيبرهاي لازم در موسسه IFAM گسترش يافته است. به جاي کشش و ماشينکاري، فيبرهاي فلزي مستقيماً از مذاب با استفاده از يک وسيله استخراجي چرخشي خنک شونده با آب بدست مي آيد. در اين روش مي توان فيبرهايي با طول بين ۳ تا ۲۵ ميليمتر توليد کرد. سپس فيبرها بوسيله روش هاي رسوب گذاري به منظور توليد قطعه سيل فعال زينتر مي شوند. آزمايش هاي اکسيداسيون سيکلي با ساختارهاي فيبري از آلياژ FeCrAl مقاومت به اکسيداسيون ضعيف تري را نشان داده است. براي رسيدن به مقاومت به اکسيداسيون مورد نظر، ضخامت فيبر، ترکيب آلياژ و دانسيته ساختار بايد بهبود يابد. با توجه به نتايج آزمايش سايش، سيل هاي ساختار فيبري نسبت به ساختارهاي ديگر در روتورهاي شروددار، خواص سايش پذيري عالي را نشان داده اند.
● سراميک هاي سايش پذير بعنوان قطعات سيل فعال
مواد سايش پذير سراميکي داراي مقاومت به اکسيداسيون بهتري نسبت به الياژهاي فلزي هستند. بعلاوه لايه سراميکي مي تواند به عنوان پوشش سد حرارتي عمل کرده و درجه حرارت سيل را زير دماي بحراني فلز نگهدارد. سيل هاي هوايي توربين با مواد سايش پذير سراميکي بعنوان قطعه سيل فعال، بصورت يکسري ريل هاي موازي، که روي صفحه پشت بند سيل ماشينکاري شده اند، هستند. ريل ها با پوشش مواد سراميکي متخلخل که بروش پاشش حرارتي رسوب داده مي شوند، پر مي شوند. شرکت Sulzer Metco يک روش ترکيبي ريخته گري دقيق و پاشش حرارتي را براي توليد اين قطعات ابداع کرده است.
دو ماده منتخب اصلي براي پوشش سراميکي اکسيدهاي آلومينيوم و زيرکونيم هستند که هر دو، تا دماي ۱۲۰۰ درجه سانتي گراد مناسب هستند. با توجه به نتايج آزمايش سايش، پوشش هاي سراميکي متخلخل خواص سايش پذيري ضعيفي را از خود نشان داده اند. به منظور جلوگيري از تخريب نوک پره توربين به خصوص براي روتورهاي شرود دار در پيک درجه حرارت تقريباً ۱۴۰۰ درجه سانتي گراد يک لايه سراميکي ثانويه با قابليت سايش پذيري مناسب روي لايه اول اسپري مي شود. استفاده از پوشش هاي سايش پذير زيرکونيا نتايج خوبي در زمينه سايش پذيري، مقاومت به سايش، مقاومت به شوک حرارتي در موتورهاي جت جديد از خود نشان داده است.
● تست هاي مواد سايش پذير
تست هاي آزمايشگاهي عملکرد سايش پذيري عبارتند از:
۱) آزمايش سايش پذيري با استفاده از ريگ سايش
۲) بررسي عمر اکسيداسيون با استفاده از آزمايش تشديد شده اکسيداسيون کوره اي استاتيک
آزمايش هاي بررسي خواص پوشش سايش پذير عبارتند از:
۱) بررسي تخلخل با استفاده از تحليل گر تصوير
۲) سختي سنجي با آزمايش سختي R۱۵Y
۳) تست کشش بر اساس استاندارد ASTM C۶۳۳-۷۹
۴) آزمايش سايش بر اساس استاندارد ASTM G۷۶
بررسيهايي توسط chapel و همکارانش در جهت استاندارسازي برخي مواد سايش پذير انجام شده که مواد مورد استفاده و نتايج بررسيها در جداول ۱ و ۲ ارايه شده است.
● سيل هاي سايش پذير مورد استفاده در توربين کلاس E و نتايج حاصله
درجه حرارت سطح شرودهاي ثابت رديف اول در اين توربين که روي آن مواد سايش پذير قرار مي گيرد، در محدوده بالايي مواد سايش پذير دما متوسط قرار مي گيرد. براي کاربردهاي دما متوسط معمولاً پودرهاي آلياژي پايه Ni يا Co بعنوان زمينه سيل سايش پذير مورد استفاده قرار مي گيرد. فازهاي ديگري براي ساخت ماده سايش پذير به پودرهاي فلزي اضافه مي شود. اين فازها اضافه شده معمولاً مواد پليمري هستند که بعنوان مواد فرار براي ايجاد تخلخل پوشش بکار مي روند. بعلاوه فازهاي ديگري ممکن است بعنوان عناصر فرار بکار گرفته شوند. اين ماده با نام تجاري CT۵۰ توسط شرکت GE معرفي شده است. نتايج حاصل از اعمال پوشش هاي مذکور در رديف اول برخي از توربين ها در جدول ۳ ارايه شده است. تا سال ۲۰۰۲ پوشش هاي سايش پذير GT۵۰ بر روي ۱۹۸ واحد از توربين هاي فريم ۳ تا فريم ۹ اعمال شده است. با توجه به اينکه پوشش هاي سايش پذير به مرور زمان اکسيد مي شوند، مزاياي مذکور نيز کاهش مي يابد لذا تلاش هاي زيادي براي بهبود مقاومت به اکسيداسيون و عمر پوشش در حال انجام است.
وقتي عمر توربين گاز زياد مي شود به خاطر سايش نوک پره، انحراف محور روتور، انحراف کيسينگ استاتور، لقي سرتاسري بين پره و شرود رديف اول افزايش مي يابد. نشان داده شده است استفاه از پوشش هاي سايش پذير مزاياي بيشتري روي توربين هاي گازي قديمي دارند. به همين دليل پوشش هاي سايش پذير را مي توان عمدتاً بر روي شرودهاي با حداقل ساعت کارکرد کمتر از ۲۴۰۰۰ ساعت استفاده کرد.
پره هاي رديف هاي دوم و سوم توربين هاي کلاس E شروددار هستند. مواد سايش پذير مورد استفاده بر روي اين رديف ها مواد با ساختار لانه زنبوري است. لبه هاي نوک پره (ريل ها) داراي دندانه هاي برنده ماشينکاري شده به منظور افزايش قابليت برندگي هستند. مکانيزم سايش براي ساختار لانه زنبوري تغيير فرم ديواره هاي نازک و سايش است. در شکل تصوير نوارهاي لانه زنبوري نصب شده بر روي شرود توربين را نشان مي دهد. نتايج حاصل از بکارگيري مواد سايش پذير لانه زنبوري در پره هاي رديف دوم و سوم برخي از توربين ها در جدول ۴ ارايه شده است.
تعداد توربين هاي فريم ۵ تا فريم ۹، که تا سال ۲۰۰۲ از شرودهاي لانه زنبوري در رديف هاي دوم و سوم استفاده کرده اند به ترتيب ۸۶۷ و ۷۹۲ واحد است.
● نگاهي به وضعيت توليد واحدهاي قديمي در داخل کشور
وضعيت توليد يکي از انواع مولدهاي گازي قديمي پرتعداد در داخل کشور (فريم ۵) به صورت نمونه در سال ۱۳۸۴ در جدول ۵ ارايه شده است. همانطوريکه ملاحظه مي شود فاصله توليد واقعي اين واحدها نسبت به توان اسمي قابل توجه است (۶۳۶ مگاوات). يکي از دلايل پايين بودن توان توليد اين واحدها مي تواند ناشي از افزايش لقي هاي مجاز در اثر تغييرات بوجود آمده در اثر کارکرد طولاني مدت در برخي از اجزاء توربين و کمپرسور باشد که با استفاده از مواد سايش پذير مناسب مي توان تا حدي (حدود ۱۵۰ مگاوات) از عدم توليد اين واحدها را جبران کرد.
● جمع بندي
۱) استفاده از مواد سايش پذير بعنوان يک روش آببندي موثر اجزاي کمپرسور و توربين در صنايع توليد نيرو در حال گسترش است.
۲) تحقيقات به منظور استفاده از مواد با قابليت کاربرد در دماهاي بالا و داراي مقاومت به اکسيداسيون و در نتيجه عمر بالا در حال انجام است.
۳) استفاده از سيل هاي سايش پذير روي بخش هايي از توربين هاي گازي کلاس 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.
۴) استفاده از مواد سايش پذير بر روي توربين هاي قديمي تاثير مثبت بيشتري از خود نشان داده است لذا با توجه به وجود توربين هاي با عمر طولاني بالا و راندمان پايين در داخل کشور از تکنولوژي مذکور مي توان در جهت افزايش راندمان و بهره وري آنها استفاده کرد.

مقدمه آب ماده اي فراوان در کره زمين است. به شکل هاي مختلفي همچون دريا ، باران ، رودخانه و... ديده مي‌شود. آب در چرخه خود ، مرتباً از حالتي به حالت ديگ ...

رودخانه رسوباتي را که با خود حمل مي کند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي مي گذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيها ...

رودخانه رسوباتي را که با خود حمل ميکند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي ميگذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيها ر ...

رودخانه‌ رسوباتي را که با خود حمل مي‌کند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي مي‌گذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيه ...

تاريخ نشان داده است که در ابتداي تمدن بشري نيازي به بسته بندي مواد غذايي نبود، بلکه مردم براي به دست آوردن غذا از محلي به محل ديگر مي رفتند تا زماني ک ...

هدف از بسته بندي کردن اين است که هم زمان نگهداري آنها افزايش يابد و هم به طور کلي از خطر عوامل فساد دروني و بيروني و اکسايش حفظ شود. همچنين حمل و نقل ...

خواص بخار و آب در صنعت برق، در طراحي ديگها، توربينها و تجهيزات ديگر و همچنين براي ارزيابي عملكرد تجهيزات نقشي اساسي دارد. در حدود ۷۰ سال قبل پيشتازان ...

آشنايي با تکنيک هاي جوشکاري در زير آب welding under water تکنولوژي در زير دريا در مرز تکنولوژيهاي مدرن عصر ما مي باشد و با وجود آنکه حدود بيست سال از ...

دانلود نسخه PDF - آب بندي کمپرسور