книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

Глава 111

МЕТАЛЛЫ ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА

УСЛОВИЯ РА БОТЫ Л ОПАТОЧНОГО АППАРАТА

Одну из важнейших частей турбины представляет лопаточный аппарат, в котором осуществляется основной рабочий процесс преобразования потенциальной энергии поступающего в турбину пара в полезную механическую работу. Лопаточный аппарат состоит из двух больших групп деталей: связанных с ротором турбины и вращающихся вместе с ним в процессе работы агрегата и связанных со статором турбины и находящихся в неподвижном состоянии. Основу первой группы составляют рабочие лопатки,

авторой группы — направляющие лопатки. Количество рабочих

инаправляющих лопаток весьма значительно и в современных мощных турбинах достигает 10 000 шт. и более.

Рабочие и направляющие лопатки характеризуются значи­ тельным разнообразием конструкций и размеров, способов кре­ пления на роторе и в статоре. Причиной такого разнообразия являются в основном существенно отличающиеся условия службы лопаток различных ступеней в турбинах разной мощности, пара­ метров и назначения.

Вгруппу деталей лопаточного аппарата кроме лопаток входят промежуточные вставки между ними, ленточные и проволочные бандажи, которыми лопатки связаны между собой в пакеты,

заклепки для прикрепления лопаток к дискам и диафрагмам, замки и т. д. Все детали лопаточного аппарата работают при дли­ тельном воздействии высоких температур. В условиях наиболее высоких температур, близких к температуре пара, поступающего в турбину, находятся рабочие и направляющие лопатки первых ступеней турбины. На следующих ступенях температура посте­ пенно снижается, а на последних составляет 100° С и ниже.

Детали лопаточного аппарата работают в среде движущегося водяного пара, состояние которого на различных ступенях турбин неодинаково. На большей части ступеней работает перегретый пар, на лопатках последних ступеней— влажный. Содержание в паре солей, кислорода, сконденсировавшихся капель воды неодинаково на разных участках проточной части. Отсюда и различные характер, и степень коррозионного и эрозионного воздействия пара на лопатки различных ступеней.

В процессе эксплуатации турбины в группе деталей лопаточного аппарата наибольшие напряжения статического, динамического

121

силами, действующими на лопатку при ее вращении. Центробеж­ ные силы создают в лопатке растягивающие напряжения тем большие, чем больше площадь сечения и длина лопатки, диаметр обода диска (или ротора), на котором закреплены лопатки, и частота вращения ротора турбины. При наличии ленточного или проволочного бандажей учитывается влияние и центробежных сил, создающихся за счет участков бандажей, приходящихся на одну лопатку.

Центробежные силы могут вызывать в лопатках кроме растя­ гивающих также и изгибающие напряжения в тех случаях, когда линия, соединяющая центры тяжести различных сечений рабо­ чей части лопатки, не является радиальной линией диска, на котором лопатка установлена. На рабочую лопатку действуют изгибающие силы, обусловленные давлением и реакцией струи движущегося пара. Эти силы изгибают лопатку относительно места закрепления, и их величина зависит от мощности ступени, ее среднего диаметра, частоты вращения ротора, числа лопаток в ступени и степени парциальности, если пар поступает не по всей окружности.

На первых ступенях турбины, где используются короткие лопатки при сравнительно небольших значениях среднего диа­ метра ступени, напряжения металла лопаток от центробежных сил и изгиба, вызываемого движущимся паром, обычно невелики. На длинных и массивных лопатках последних ступеней рабочие напряжения материала достигают больших величин.

Исключительно важное значение при эксплуатации турбин имеет вибрация рабочих лопаток и их пакетов. Эта вибрация весьма сложна и определяется многочисленными, трудно учиты­ ваемыми факторами, связанными с конструкцией лопаток и диаф­ рагм, качеством их изготовления и сборки, условиями эксплу­ атации и т. д.

Общей причиной вибрации лопаток являются возмущающие силы, периодически действующие на лопатки при вращении ротора турбины. Можно указать много источников возникнове­ ния таких периодических сил. Выходные кромки направляющих лопаток имеют некоторые конечные размеры, что вызывает нару­ шение плавности потока пара. При этом создается периодическая возмущающая сила, частота действия которой на движущуюся лопатку за 1 с равна или кратна nz, где п — частота вращения ротора, а z — число направляющих лопаток по окружности.

Нарушение плавности потока пара связано с неравномер­ ностью проходных сечений каналов диафрагм; частота возникаю­ щих вследствие этой неравномерности возмущающих сил равна или кратна частоте вращения ротора турбины. Местные непра­ вильности диафрагмы, например, в стыках двух ее половин вызы­ вают возмущающие силы с частотой 2п в 1 с. При парциальном

122

подводе пара неизбежно имеет место прерывистость потока пара, вызывающая значительные переменные усилия, и т. д.

Таким образом, в турбине всегда имеют место нарушения плав­ ности потока пара и возмущающие силы, периодически действую­ щие на лопатки. Частота одной группы возмущающих сил равна или кратна п, другой группы — равна или кратна пг. Собствен­ ная частота свободных колебаний лопатки, закрепленной на ободе диска или в пазах ротора, зависит от момента инерции ее сечения, длины и массы лопатки, модуля упругости материала, из кото­ рого она изготовлена, жесткости ее крепления и формы кривой прогиба.

Каждой форме кривой прогиба лопатки соответствует опре­ деленное значение частоты свободных колебаний; лопатке при­ суще бесконечное число значений этих частот. Собственные коле­ бания лопатки можно наблюдать и фиксировать, возбуждая ее вибрацию возмущающей силой, частоту действия которой можно регулировать и постепенно увеличивать от нуля до больших зна­ чений. По достижении некоторой определенной частоты амплитуда колебаний лопатки, до этого незначительная, резко возрастает, а при дальнейшем повышении частоты быстро снижается. Достиг­ нув новой определенной частоты, амплитуда снова возрастает, затем опять снижается почти до нуля, чтобы вновь быстро уве­ личиться при достижении третьей определенной частоты, и т. д.

Эти периодические повышения амплитуды колебаний насту­ пают при резонансе частот возмущающей силы с частотами свобод­ ных колебаний лопатки. Чем шире интервал частот возмущаю­ щих сил, которые вызывают при проведении такого опыта коле­ бания лопатки, тем больше будет зафиксировано резонансных точек.

Собственные колебания с наиболее низкой наблюдаемой ча­ стотой называют колебаниями первого тона, со следующей по величине частотой — колебаниями второго тона, затем третьего тона и т. д. В табл. 9 для трех первых тонов колебаний лопаток, зажатых в хвосте при свободных и опирающихся вершинах, приведены формы кривой прогиба, эпюры моментов и относитель­ ные значения напряжений в корневом сечении лопатки. Как видим, напряжения в корневом сечении вибрирующей лопатки резко снижаются при повышении тона колебаний. Поэтому наи­ более опасными, с точки зрения величины напряжений, у корня лопатки являются колебания первого тона.

Для кривых прогиба второго, третьего и последующих тонов колебаний характерно наличие неподвижных точек, называемых узловыми. Кривая прогиба второго тона колебаний имеет одну неподвижную узловую точку, третьего тона — две узловые точки и т. д. При дальнейшем увеличении частоты свободных колебаний, количество узловых точек возрастает. В табл. 9 приведены также относительные значения частот для различных форм колебаний лопаток постоянного сечения разных профилей.

123

Все сказанное относится к тангенциальной вибрации лопаток в плоскости диска, имеющей основное значение в процессе их работы. Однако наряду с тангенциальными колебаниями имеют место и аксиальные, и крутильные колебания; они усложняют общую картину вибрации лопатки. Пакеты лопаток, связанные ленточными и проволочными бандажами, характеризуются раз­ нообразными формами кривой прогиба вибрирующих лопаток, различными тонами и частотами колебаний. Если частота возму­ щающих сил, обусловленных неравномерностями потока пара, окажется в опасном резонансе с частотой свободных колебаний лопаток, то амплитуда колебаний последних возрастет до недо­ пустимых значений, металл лопаток окажется перенапряженным, и это может привести через некоторое время, зависящее от степени перенапряжения, к разрушению лопаток. Рабочие лопатки тур­ бин проектируют с таким расчетом, чтобы опасные резонансные колебания не могли иметь места в процессе работы турбины.

Направляющие лопатки, находящиеся в процессе работы турбины в неподвижном состоянии, испытывают напряжения от действия потока пара; эти напряжения значительно ниже, чем испытываемые рабочими лопатками.

Условиями службы рабочих и направляющих лопаток в основ­ ном определяются требования, предъявляемые к металлам, из которых изготовляют лопатки. Металл лопаток должен обладать высокими прочностью, пластичностью, сопротивлением ползуче­ сти, выносливостью, коррозионной стойкостью и сопротивлением эрозионному разрушению.

Форма лопаток весьма сложна, поэтому обрабатывать их необходимо с высокой степенью точности и чистоты поверхности. Металл лопаток должен легко обрабатываться резанием, обла­ дать способностью хорошо расклепываться, так как ленточные бандажи прикрепляют к лопаткам расклепыванием шипов. Неко­ торые конструкции хвостов лопаток получают протяжкой или холодной высадкой, поэтому необходимо, чтобы металл был способен к значительной деформации в холодном состоянии.

Большое значение для надежной службы металла лопаток имеет тщательное соблюдение установленных режимов эксплуата­ ции турбинных агрегатов. Известны случаи повреждения рабочих лопаток вследствие понижения частоты в сети переменного тока, попадания воды в проточную часть из-за переполнения подогре­ вателей и других нарушений правил технической эксплуатации.

СТАЛИ И С П Л А В Ы , П Р И М Е Н Я Е М Ы Е Д Л Я ЛОПА ТО К

В СССР и за рубежом для изготовления лопаток применяют значительное количество сталей и сплавов различных марок. Для паровых турбин различных параметров и мощности, находя­ щихся в серийном производстве, лопатки изготовляют в основ­ ном из хромистых нержавеющих сталей мартенситного и

125

мартенсито-ферритного класса. В турбинах отдельных типов, изго­ товляемых в качестве опытных образцов или небольших партий, с начальной температурой пара до 600° С и выше, в качестве ме­ талла лопаток применяют аустенитные стали. Эти стали широко используют и для лопаток газовых турбин.

В последние годы в лабораторных условиях и в процессе эксплуатации изучают проблемы использования, в качестве металла значительно нагруженных лопаток последних ступеней, титановых сплавов, которые при весьма высокой прочности обла­ дают относительно низкой плотностью (примерно вдвое меньшей, чем плотность стали). Как известно, величина центробежных сил, действующих на рабочие лопатки турбин, находится в прямой зависимости от массы лопатки и, следовательно, от плотности металла, из которого она изготовлена.

Хромистые нержавеющие стали. Для изготовления рабочих и направляющих лопаток, работающих в условиях умеренных температур (до 450—500° С), в течение нескольких десятилетий широко применяют надежную в эксплуатации высококачествен­ ную хромистую нержавеющую сталь марок 1X13 (ЭЖ1) и 2X13 (ЭЖ2). Сталь 1X13 относится к мартенсито-ферритному, а сталь 2X13— к мартенситному классу.

Химический состав (в %) этих сталей следующий:

Стали 1X 13 и 2Х13 за длительный период их применения в тур­ бостроении разносторонне изучены; их физические свойства при­ ведены в табл. 10.

10. Физические свойства сталей 1X13 и 2X13

126

Термическая обработка горячекатаных сталей 1X13 и 2X13 предусматривает после прокатки отжиг при температуре 870— 900° С или высокий отпуск при 740—780° С. В зависимости от содержания углерода в стали закалку выполняют с темпера­ туры 950— 1050° С в масле или на воздухе (нормализация). Для заготовок больших сечений предпочтительнее закалка в масле. Отпуск проводят обычно при температуре 600—750° С с охлажде­ нием на воздухе.

В табл. 11 приведены механические свойства стали 1X13 после закалки с 925— 1000° С на воздухе или в масле и отпуска при различных температурах. Механические свойства сталей 1X13 и 2Х13 после термической обработки должны удовлетворять требованиям, предъявляемым техническими условиями турбострои­ тельных заводов (табл. 12). Микроструктура стали после указан­ ной термической обработки — сорбит. Часто наблюдается ориен­ тация сорбита по мартенситу. На продольных шлифах из прока­ танных заготовок встречается полосчатое расположение струк­ турных составляющих. На рис. 48 показаны структуры терми­ чески обработанных хромистых нержавеющих сталей.

11.Механические свойства стали 1X13

взависимости от температуры отпуска

127

Рис. 48. Структура термически обработанной хромистой нержавеющей стали (Х 400)

128

Высокую коррозионную стойкость хромистая сталь приобре­ тает после термической обработки; при прочих равных условиях эта стойкость тем выше, чем меньше в стали содержание углерода.

Кривые, показывающие изменение в зависимости от темпера­ туры характеристик прочности и пластичности термически обра­ ботанных сталей 1X13 и 2X13 и полученные при испытании этих сталей на кратковременный разрыв, приведены на рис. 49. Резкое снижение пределов прочности и текучести наблюдается тогда, когда температура испытаний превышает 300—350° С. В интер­ вале температур от 300—350° С до 600° С показатели прочности снижаются по круто падающей кривой. Показатели же пластич­ ности, наоборот, повышаются, особенно относительное сужение.

Ударная вязкость хромистых сталей весьма высока. Величина удельной работы удара ая как для стали 1X13, так и для стали 2X13 во многих Случаях превосходит указанные в табл. 12 минималь­ ные значения и достигает 18—20 кгс-м/мм2 и более.

13. Результаты испытаний на усталость сталей 1X13 и 2X13

Для сталей, из которых изготовляют лопатки, важное значе­ ние имеет величина предела выносливости в условиях рабочих температур. Были проведены исследования горячекатаной нержа­ веющей стали 1X13 сечением 25x25 мм, имеющей следующий химический состав (в %):

После закалки с 1000° С в масле и отпуска при 650° С с охла­ ждением на воздухе сталь имела следующие механические свой­