آب بندی در توربو ماشینها در فصل مشترک قطعات ثابت و متحرک به منظور کنترل جریانات نشتی و خنک کننده لازم و ضروری است. کنترل لقی موجود در بین قطعات متحرک و ثابت باعث بهبود عملکرد توربو ماشین و عمر قطعات می شود. یکی از مواد مورد استفاده در سیستم های جدید آببندی، مواد سایش پذیر است.

در این مقاله به بررسی مواد سایش پذیر، از لحاظ ترکیب شیمیایی، موقعیتهای بکارگیری، ملاحظات طراحی، ساختار و روش اعمال آنها در اجزاء کمپرسور و توربین پرداخته شده و در نهایت نتایج حاصل از بکارگیری این مواد در توربین های کلاس E ارایه شده است.

تقاضا برای بهبود راندمان و توان خروجی توربینهای گازی جدید و موجود در حال افزایش است. این تقاضا منجر به کوشش های زیادی در جهت بهبود عملکرد در قطعات مختلف توربین شده است. آببندی در توربو ماشینها از مسائل مهم در کنترل لقی و موثر ترین راه در بهبود عملکرد سیستم است. راندمان سیکلی، عمر عملکردی و پایداری سیستم بستگی به طراحی و بکارگیری آببند (سیل) موثر است. بهبود آببندی بین قطعات ثابت و متحرک در توربین های گازی و بخاری می تواند نشتی گاز و یا بخار را کاهش داده و در نتیجه منجر به بهبود عملکرد راندمان و توان خروجی توربین شود. فاصله هوای موجود بین نوک پره های متحرک و شرود و یا بدنه از مکانهایی است که نشتی در آن حائز اهمیت بوده و در طراحی با توجه به شرایط کاری، مقداری لقی مجاز برای جلوگیری از تماس نوک پره و شروع لحاظ می شود. لقی های ناکافی جریانات خنک کننده را محدود کرده، باعث سایش در نقاط تماس شده، باعث ناپایداری توربو ماشین و همچنین آسیب به سیستم می شود. لقی های اضافی نیز منجر به کاهش راندمان سیکلی، ناپایداری جریان و نفوذ گاز داغ در فضاهای خالی دیسک و کاهش عمر دیسک می شود. استفاده از حداقل فاصله هوایی باعث کاهش نشتی و در نتیجه باعث افزایش توان و راندمان خروجی توربین و همچنین کاهش مصرف سوخت خواهد شد.

سیل های سایش پذیر یکی از انواع سیل های پیشرفته است که در توربین های صنعتی گسترش یافته است. همانطوری که از نام آن مشخص است، مواد سایش پذیر بوسیله پره های متحرک در حین سرویس سائیده می شوند. این مواد بر روی کیسینگ یا شرود توربین های بخار و یا گاز، اعمال شده و باعث کاهش لقی، در حدی که رسیدن به آن بوسیله ابزارهای مکانیکی مشکل است، می شوند. سیل های سایش پذیر در توربین های گازی به عنوان یک وسیله نسبتاً کم هزینه و نیاز به کار مهندس کم هستند. سیل های سایش پذیر از ۱۹۶۰ در توربین های گازی هوایی مورد استفاده قرار گرفته است. گرچه در توربین های گازی زمینی تولید نیرو کمتر مورد توجه بوده اما با افزایش قیمت سوخت و پیشرفت در مواد و افزایش قابلیت برای کاربردهای طولانی مدت، استفاده از این مواد در صنایع تولید نیرو نیز در حال گسترش هستند.

همانطوری که گفته شد مواد سیل های سایش پذیر برای کاهش لقی نوک پره در حین کارکرد مورد استفاده قرار می گیرد. بدون سیل های سایش پذیر لقی سرد بین نوک پره و شرود باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا از تماس در حین کارکرد جلوگیری شود. استفاده از سیل های سایش پذیر اجازه می دهد که لقی سرد، با اطمینان از اینکه چنانچه تماسی در حین کارکرد بین پره متحرک و شرود برقرار شود ماده فدا شونده مواد سایش پذیر باشد و نه نوک پره، کاهش یابد. همچنین مواد سایش پذیر باعث بسته تر شدن لقی ناشی از خروج از دایروی بودن معمول بدنه و یا شرود و یا حرکات جانبی روتور نسبت به شرود کیسینگ می شود. در چنین حالتی مواد شرود بصورت موضعی، نسبت به نوک پره های روتور در فصل مشترک تماس در حین کارکرد بیشتر سائیده می شوند.

موقعیت های بکارگیری

می توان بصورت نمونه مناطق بکارگیری سیل های سایش پذیر را در جهت کاهش لقی نوک پره های متحرک را در یک نمونه توربین گازی صنعتی نشان داد. این مکانها شامل نوک پره کمپرسور و پوسته بیرونی و شرودهای ثابت بیرونی پره های ردیف اول فاقد شرود و پره های ردیف دوم و سوم شرود دار توربین گازی کلاس E هستند.

ملاحظات طراحی در مواد سایش پذیر

سیل های سایش پذیر با توجه به قابلیت دمایی آنها بصورت زیر طبقه بندی می شوند:

دما پایین، معمولاً برای کمپرسورهای LP دمای محیط تا ۴۰۰ درجه سانتی گراد

دما متوسط، برای کمپرسورهای LP و HP دمای محیط تا ۷۶۰ درجه سانتی گراد

دما بالا برای توربین های HP – دمای ۷۶۰ درجه سانتی گراد تا ۱۱۵۰ درجه سانتی گراد

و یا مواد سایش پذیر را می توان با توجه به روش بکارگیری آنها بصورت زیر تقسیم بندی کرد.

ریخته گری برای مواد سایش پذیر پایه پلیمری

بریزینگ یا اتصال نفوذی برای مواد فیبری و یا لانه زنبوری (ساختار فلزی متخلخل)

پوشش دهی پاشش حرارتی برای رنج وسیعی از مواد کامپوزیتی پودری

سیل های سایش پذیر ساختارهای با استحکام پایینی هستند تا سایش بدون تخریب نوک پره اتفاق بیافتد. نتیجتاً این مواد آسیب پذیر و مستعد به سایش ذرات جامد و گاز هستند. ضمناً ساختار مواد سایش پذیر به خاطر متخلخل بودن مواد اصلی می تواند در برابر شوک های حرارتی که در توربین های گاز اتفاق می افتد مستعد به اکسیداسیون باشد. این تضاد خواص باید در طراحی سیل های سایش پذیر در نظر گرفته شود. بنابراین سیل های سایش پذیر، بعنوان یک سیستم تریبیولوژیکی کامل است که در آن باید حرکات نسبی و عمق برش نوک پره، سرعت نوک پره و نرخ هجوم، درجه حرارت محیط، آلودگیهای سیال حامل، هندسه و جنس عنصر یا عامل برنده در نظر گرفته شود.

طراحی مناسب یک سیستم سایش پذیر برای یک کاربرد ماشین، آن را برای آن کاربرد منحصر به فرد می کند. علی رغم در دسترس بودن برخی مواد سیل های سایش پذیر، باید اصلاح و طراحی مجدد بر روی آن برای کاربرد مورد نظر انجام گیرد. در برخی کاربردها برای رسیدن به الزامات طراحی در فرآیند تکنولوژی سیل های سایش پذیر تست های متعددی انجام می شود. تست های مانند سایش، اکسیداسیون، شوک حرارتی، استحکام کششی و تخلخل.

مواد سایش پذیر متداول

درجه حرارت کاربرد این مواد از کمپرسور (تا ۵۵۰ درجه سانتی گراد) تا درجه حرارت توربین (۱۳۵۰ درجه سانتی گراد) متغیر است.

بطور کلی برای قسمت فعال سیل، مواد و ساختار منتخب باید نیازهای زیر را برآورده کنند.

۱) مناسب برای حرکات محوری و شعاعی روتور

۲) حداقل کردن نشتی در فضای بین نوک پره توربین

۳) ساختار متراکم محوری برای حداقل کردن نشتی در جهت جریان گاز خروجی

۴) پایداری مکانیکی برای مقاومت در برابر حالتهای گذرا و شیب های حرارتی و فشار

۵) نوک پره (روتور بدون شرود) یا فین (روتور شروددار) در تماس با سیل ساینده نباید تخریب شوند

۶) عمر اکسیداسیون و سایش آنها باید حداقل چندصد ساعت بیشتر از ساعت سرویس در اتمسفر گاز داغ باشد.

مواد سایش پذیر پیشرفته

مواد آلیاژی پیشرفته مقاوم به اکسیداسیون در ساختار لانه زنبوری

سوپر آلیاژهای پایه نیکل از قبیل HastelloyX و Hanynes۲۱۴ در حال حاضر بعنوان مواد پیشرفته در سیل های لانه زنبوری استفاده می شوند. سیل لانه زنبوری از فویل های نازک فلزی ساخته می شوند. (ضخامت ۷۰ ۱۳۰mm) و سپس به صفحه پشت بند سیل بریز می شوند. قابلیت حرارتی HastelloyX تشکیل دهنده اکسید کروم، تا ۹۵۰ درجه سانتی گراد است. در مقابل آلیاژ Haynes۲۱۴ تشکیل دهند اکسید آلومینیوم می تواند تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد بکار روند اما عمر سیل به خاطر اکسیداسیون داخلی و تشکیل اکسیدهای آلومینیوم سریع رشد کننده در دماهای پایین، کاهش می یابد. بهبود در مقاومت به اکسیداسیون را می توان با افزایش مقدار Al بوسیله آلیاژ سازی یا پوشش ایجاد کرد. یک روش موثر برای افزایش مقاومت به اکسیداسیون مواد لانه زنبوری توجه به مواد فویل جایگزین از قبیل آلیاژهای FeAlCr است. این آلیاژها تشکیل دهنده اکسید آلومینیوم با مقاومت به اکسیداسیون بالاتر از سوپرآلیاژهای پایه نیکل به خصوص در درجه حرارت های سیکلی بین ۷۰۰ درجه سانتی گراد و ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد هستند.

ارزیابی نرخ اکسیداسیون ثابت و توانی در اتمسفر گاز داغ خروجی مانند تخمین با استفاده از مدل عمر اکسیداسیون نشان می دهد. آلیاژهای FeCrAl نسبت به آلیاژهای پایه نیکل در درجه حرارتهای سیکلی حدود ۱۲۰۰ ۷۰۰ درجه سانتی گراد، ارجح تر هستند.

ساختارهای کروی توخالی فلزی بعنوان جزء سیل فعال

ساختارهای کروی توخالی کلاس جدیدی از مواد سبک وزن در گروه خانواده مواد سلولی هستند. خواص بهینه مربوط به سیستم سیل را می توان با تغییرات ترکیب شیمیایی آلیاژ فلزی، اندازه کره وضخامت دیواره کره و بعلاوه تخلخل پوسته بدست آورد. برای ساخت ساختارهای کروی توخالی پودر الیاژ FeCrAl مربوطه متمایز می شود. سپس دو غاب پودر آلیاژ FeCrAl – چسب ماده آلی بر روی کره های استروفوم اسپری می شود. کره های استروفوم پوشش داده شده بعنوان قسمت فعال سیل با شکل هندسی مورد نیاز مونتاژ می شوند. برای زینترینگ و چسب زدایی و تولید سیل کروی توخالی عملیات حرارتی بر روی آنها انجام می شود. آزمایشهای اکسیداسیون سیکلی نشان داده است که ساختارهای کروی توخالی دارای مقاومت به اکسیداسیون خوب و شبیه به سیل های لانه زنبوری FeCrAl هستند.

ساختارهای فیبری آلیاژ فلزی بعنوان جزء سیل فعال

ساختارهای فیبری دارای قابلیت بهینه کردن سایش پذیری و مقاومت به اکسیداسیون بوسیله تغییرات ترکیب آلیاژ فیبر، ضخامت و دانسیته ساختار فیبر، بعلاوه بافت فیبر هستند. برای ساخت ساختارهای فیبری زینتر شده یک فرآیند خاص بنام استخراج ذوب بوته ای برای تولید فیبرهای لازم در موسسه IFAM گسترش یافته است. به جای کشش و ماشینکاری، فیبرهای فلزی مستقیماً از مذاب با استفاده از یک وسیله استخراجی چرخشی خنک شونده با آب بدست می آید. در این روش می توان فیبرهایی با طول بین ۳ تا ۲۵ میلیمتر تولید کرد. سپس فیبرها بوسیله روش های رسوب گذاری به منظور تولید قطعه سیل فعال زینتر می شوند. آزمایش های اکسیداسیون سیکلی با ساختارهای فیبری از آلیاژ FeCrAl مقاومت به اکسیداسیون ضعیف تری را نشان داده است. برای رسیدن به مقاومت به اکسیداسیون مورد نظر، ضخامت فیبر، ترکیب آلیاژ و دانسیته ساختار باید بهبود یابد. با توجه به نتایج آزمایش سایش، سیل های ساختار فیبری نسبت به ساختارهای دیگر در روتورهای شروددار، خواص سایش پذیری عالی را نشان داده اند.

سرامیک های سایش پذیر بعنوان قطعات سیل فعال

مواد سایش پذیر سرامیکی دارای مقاومت به اکسیداسیون بهتری نسبت به الیاژهای فلزی هستند. بعلاوه لایه سرامیکی می تواند به عنوان پوشش سد حرارتی عمل کرده و درجه حرارت سیل را زیر دمای بحرانی فلز نگهدارد. سیل های هوایی توربین با مواد سایش پذیر سرامیکی بعنوان قطعه سیل فعال، بصورت یکسری ریل های موازی، که روی صفحه پشت بند سیل ماشینکاری شده اند، هستند. ریل ها با پوشش مواد سرامیکی متخلخل که بروش پاشش حرارتی رسوب داده می شوند، پر می شوند. شرکت Sulzer Metco یک روش ترکیبی ریخته گری دقیق و پاشش حرارتی را برای تولید این قطعات ابداع کرده است.

دو ماده منتخب اصلی برای پوشش سرامیکی اکسیدهای آلومینیوم و زیرکونیم هستند که هر دو، تا دمای ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد مناسب هستند. با توجه به نتایج آزمایش سایش، پوشش های سرامیکی متخلخل خواص سایش پذیری ضعیفی را از خود نشان داده اند. به منظور جلوگیری از تخریب نوک پره توربین به خصوص برای روتورهای شرود دار در پیک درجه حرارت تقریباً ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد یک لایه سرامیکی ثانویه با قابلیت سایش پذیری مناسب روی لایه اول اسپری می شود. استفاده از پوشش های سایش پذیر زیرکونیا نتایج خوبی در زمینه سایش پذیری، مقاومت به سایش، مقاومت به شوک حرارتی در موتورهای جت جدید از خود نشان داده است.

تست های مواد سایش پذیر

تست های آزمایشگاهی عملکرد سایش پذیری عبارتند از:

۱) آزمایش سایش پذیری با استفاده از ریگ سایش

۲) بررسی عمر اکسیداسیون با استفاده از آزمایش تشدید شده اکسیداسیون کوره ای استاتیک

آزمایش های بررسی خواص پوشش سایش پذیر عبارتند از:

۱) بررسی تخلخل با استفاده از تحلیل گر تصویر

۲) سختی سنجی با آزمایش سختی R۱۵Y

۳) تست کشش بر اساس استاندارد ASTM C۶۳۳ ۷۹

۴) آزمایش سایش بر اساس استاندارد ASTM G۷۶

بررسیهایی توسط chapel و همکارانش در جهت استاندارسازی برخی مواد سایش پذیر انجام شده که مواد مورد استفاده و نتایج بررسیها در جداول ۱ و ۲ ارایه شده است.

سیل های سایش پذیر مورد استفاده در توربین کلاس E و نتایج حاصله

درجه حرارت سطح شرودهای ثابت ردیف اول در این توربین که روی آن مواد سایش پذیر قرار می گیرد، در محدوده بالایی مواد سایش پذیر دما متوسط قرار می گیرد. برای کاربردهای دما متوسط معمولاً پودرهای آلیاژی پایه Ni یا Co بعنوان زمینه سیل سایش پذیر مورد استفاده قرار می گیرد. فازهای دیگری برای ساخت ماده سایش پذیر به پودرهای فلزی اضافه می شود. این فازها اضافه شده معمولاً مواد پلیمری هستند که بعنوان مواد فرار برای ایجاد تخلخل پوشش بکار می روند. بعلاوه فازهای دیگری ممکن است بعنوان عناصر فرار بکار گرفته شوند. این ماده با نام تجاری CT۵۰ توسط شرکت GE معرفی شده است. نتایج حاصل از اعمال پوشش های مذکور در ردیف اول برخی از توربین ها در جدول ۳ ارایه شده است. تا سال ۲۰۰۲ پوشش های سایش پذیر GT۵۰ بر روی ۱۹۸ واحد از توربین های فریم ۳ تا فریم ۹ اعمال شده است. با توجه به اینکه پوشش های سایش پذیر به مرور زمان اکسید می شوند، مزایای مذکور نیز کاهش می یابد لذا تلاش های زیادی برای بهبود مقاومت به اکسیداسیون و عمر پوشش در حال انجام است.

وقتی عمر توربین گاز زیاد می شود به خاطر سایش نوک پره، انحراف محور روتور، انحراف کیسینگ استاتور، لقی سرتاسری بین پره و شرود ردیف اول افزایش می یابد. نشان داده شده است استفاه از پوشش های سایش پذیر مزایای بیشتری روی توربین های گازی قدیمی دارند. به همین دلیل پوشش های سایش پذیر را می توان عمدتاً بر روی شرودهای با حداقل ساعت کارکرد کمتر از ۲۴۰۰۰ ساعت استفاده کرد.

پره های ردیف های دوم و سوم توربین های کلاس E شروددار هستند. مواد سایش پذیر مورد استفاده بر روی این ردیف ها مواد با ساختار لانه زنبوری است. لبه های نوک پره (ریل ها) دارای دندانه های برنده ماشینکاری شده به منظور افزایش قابلیت برندگی هستند. مکانیزم سایش برای ساختار لانه زنبوری تغییر فرم دیواره های نازک و سایش است. در شکل تصویر نوارهای لانه زنبوری نصب شده بر روی شرود توربین را نشان می دهد. نتایج حاصل از بکارگیری مواد سایش پذیر لانه زنبوری در پره های ردیف دوم و سوم برخی از توربین ها در جدول ۴ ارایه شده است.

تعداد توربین های فریم ۵ تا فریم ۹، که تا سال ۲۰۰۲ از شرودهای لانه زنبوری در ردیف های دوم و سوم استفاده کرده اند به ترتیب ۸۶۷ و ۷۹۲ واحد است.

نگاهی به وضعیت تولید واحدهای قدیمی در داخل کشور

وضعیت تولید یکی از انواع مولدهای گازی قدیمی پرتعداد در داخل کشور (فریم ۵) به صورت نمونه در سال ۱۳۸۴ در جدول ۵ ارایه شده است. همانطوریکه ملاحظه می شود فاصله تولید واقعی این واحدها نسبت به توان اسمی قابل توجه است (۶۳۶ مگاوات). یکی از دلایل پایین بودن توان تولید این واحدها می تواند ناشی از افزایش لقی های مجاز در اثر تغییرات بوجود آمده در اثر کارکرد طولانی مدت در برخی از اجزاء توربین و کمپرسور باشد که با استفاده از مواد سایش پذیر مناسب می توان تا حدی (حدود ۱۵۰ مگاوات) از عدم تولید این واحدها را جبران کرد.

جمع بندی

۱) استفاده از مواد سایش پذیر بعنوان یک روش آببندی موثر اجزای کمپرسور و توربین در صنایع تولید نیرو در حال گسترش است.

۲) تحقیقات به منظور استفاده از مواد با قابلیت کاربرد در دماهای بالا و دارای مقاومت به اکسیداسیون و در نتیجه عمر بالا در حال انجام است.

۳) استفاده از سیل های سایش پذیر روی بخش هایی از توربین های گازی کلاس E درطول چند سال اخیر گسترش یافته و نتایج منتشر شده از اجرای آن بر روی واحدهای مختلف، تاثیر مثبت آن را نشان داده است.

۴) استفاده از مواد سایش پذیر بر روی توربین های قدیمی تاثیر مثبت بیشتری از خود نشان داده است لذا با توجه به وجود توربین های با عمر طولانی بالا و راندمان پایین در داخل کشور از تکنولوژی مذکور می توان در جهت افزایش راندمان و بهره وری آنها استفاده کرد.