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

строго регламентированы. Так, одним из турбинных заводов ре­ комендуются как максимально допустимые в корне шипа напря­ жения разрыва 250 кгс/см2 и среза 200 кгс/см2.

Для бандажной проволоки, трубчатых бандажей и демпферных связей обычно применяют те же стали, что и для рабочих лопаток (наиболее часто — сталь 1X13). По техническим условиям скреп­ ляющая проволока диаметром до 12 мм должна иметь предел проч­ ности 70—82 кгс/мм2, относительное удлинение 65 ^ 17% и твер­ дость НВ 217—241. Излом проволоки после разрыва должен быть однородным, мелкозернистым, не иметь пустот, пузырей, трещин, шлаковых включений и других дефектов. Излом рассматривают как на гладких образцах, испытанных на разрыв, так и на образце, излом которого проведен по поперечным односторонней или дву­ сторонним зарубкам или надрезу.

Образцы из проволоки диаметром до 10 мм и длиной 200 мм испытывают также на скручивание до разрушения. При этом де­ формация проволоки по длине должна быть однородной, без рас­ слоений. Скручивание проводят равномерно, с частотой вращения не более 60 об/мин при натяжении проволоки грузом, вес которого составляет не более 5% усилия, необходимого для разрыва про­ волоки. Механическим испытаниям подвергают 2°6 общего коли­ чества прутков (но не менее двух) одной плавки, волочение и тер­ мическая обработка которых выполнялись по одному и тому же режиму. Для проволоки диаметром до 3 мм испытанию подвергают 1% всего количества прутков, но также не менее двух. Поверх­ ность проволоки должна быть светлой, без трещин, волосовин, вмятин, забоин, поперечных рисок, следов коррозии и т. д. Обезуглероженный слой должен быть минимальным. Иногда, в сом­ нительных случаях, проволоку испытывают на изгиб с перегибом. Для этого ее зажимают жестко в тиски с губками, закругленными до требуемого радиуса, и изгибают на угол 90° попеременно то в одну, то в другую сторону. Эта технологическая проба дает пред­ ставление о пластичности металла.

В эксплуатации имеют место случаи разрыва бандажей вслед­ ствие вибрации лопаток и вызываемых ею усилий, действующих на проволоку в направлении, параллельном ее оси. Разрывы наблю­ даются как непосредственно у места припайки проволоки к ло­ патке, так и на участках между двумя соседними лопатками. Чтобы повысить стойкость проволоки, работающей при переменных на­ грузках, необходимо уделять особое внимание чистоте ее поверх­ ности и проверять, нет ли на проволоке рисок, царапин, волосовин и других концентраторов напряжений.

Лопатки с вильчатым хвостом прикрепляют к ободу диска заклепками. Для изготовления заклепок широко используют хро­ мистую (12% Сг) нержавеющую сталь с пониженным содержанием углерода (не более 0,08%). Механические свойства заклепок из этой стали следующие: ав 55 кгс/мм2; ат 38 кгс/мм2; б5 ^ ^ 2 0 % ; ф=>60%; НВ 170—183.

162

Для крепления тяжелонагруженных лопаток применяют за­ клепки из хромомолибденованадиевой стали 25X1 МФ следующего химического состава (в %):

Эту сталь подвергают закалке в масле или нормализации и по­ следующему отпуску при 620—660° С с охлаждением на воздухе.

СВАРКА И ПАЙКА В ПРОИЗВОДСТВЕ

ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА

Рабочие лопатки регулирующих ступеней многих турбин сва­ ривают попарно для повышения их вибрационной прочности, имею­ щей важное значение для надежной службы лопаток в условиях парциального подвода пара. Лопатку вместе с участком плоского бандажа выполняют из одной заготовки. Перед сваркой профиль­ ную рабочую часть лопатки обрабатывают до чистовых размеров, а на поверхностях хвоста оставляют припуски. Две лопатки сва­ ривают в хвостовой части и по бандажам Ѵ-образными и U-образ- ными швами, калибр которых зависит от размеров и нагруженности лопаток. Бандаж проваривают на полную толщину. Сваренные лопатки подвергают термической обработке для обеспечения од­ нородности структуры, необходимой жаропрочности и пластично­ сти сварного соединения, а также устранения остаточных напря­ жений.

Технологию сварки и последующей термической обработки разрабатывают с учетом марки стали, из которой изготовлены лопатки, ее предшествующей обработки, рабочих напряжений в процессе эксплуатации и т. д. Сварку выполняют в приспособле­ ниях, обеспечивающих соблюдение заданных геометрических раз­ меров рабочих каналов. После термообработки выполняют окон­ чательную механическую обработку лопаток. В некоторых тур­ бинах лопатки регулирующей ступени сваривают между собой и приваривают к ротору стыковым швом с полным проплавлением. В отдельных конструкциях транспортных паровых и газовых тур­ бин небольшой мощности с короткими сроками службы также на­ ходит применение крепление рабочих лопаток к ободу диска или ротору сваркой. Недостатком такого приваривания лопаток яв­ ляются трудности, с которыми связана последующая замена лопаток.

Широко применяют в производстве лопаточного аппарата при­ пайку проволочных и трубчатых бандажей к лопаткам, связы­ вающую их в пакеты. Припайка бандажей к лопаткам — весьма серьезная и ответственная операция, которая требует высокой квалификации исполнителя и создания всех условий для доброка­ чественного выполнения соединения. Бандажи к лопаткам из хро-

никелевой или медно-цинковой основе, имеющими более высокую температуру плавления.

В производстве судовых турбин накоплен опыт пайки проме­ жуточных тел из углеродистой стали к лопаткам из светлоката­ ного профиля (сталь 1X13).

НОВОЕ В ТЕХНОЛОГИИ И ОРГАНИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ ЛОПАТОК

Высококачественную сталь для лопаток турбин выплавляют в электрических печах. Большое внимание уделяют чистоте, од­ нородности шихты и качеству огнеупорных материалов. Разра­ ботаны и успешно используются методы повышения качества слит­ ков из легированных сталей.

Для предотвращения окисления стали ее разливают под слоем синтетического шлака, выплавляемого в специальной электриче­ ской печи из плавикового шпата, извести, шамотного боя и песка. Шлак заливают в изложницу, затем в эту изложницу через слой шлака заливают сталь. Шлак задерживает неметаллические вклю­ чения, а также предохраняет залитую сталь от окисления. При сифонном способе заливки стали в изложницу снизу слой шлака изолирует поверхность стали от соприкосновения с воздухом. Слой шлака можно также получить, применяя специальные изо­ термические смеси, образующие шлак при заливке стали в излож­ ницу.

Чтобы уменьшить содержание в металле неметаллических вклю­ чений и газов, применяют вакуумную обработку жидкой стали в ковше, помещенном в герметически закрытую камеру, из которой откачан воздух. Растворимость газов в металле при понижении внешнего давления резко уменьшается, температуры кипения и испарения металла снижаются. Сталь выдерживают в течение короткого времени (10—20 мин) в вакуумной камере, где она бур­ лит, освобождаясь от газов. Выделяющиеся пузырьки газов уно­ сят частично и неметаллические включения.

Для получения особо чистых нержавеющих и жаропрочных сталей применяют плавку в вакуумных дуговых электрических печах с расходуемым электродом — поковкой из данной марки стали. Металл с оплавляемого электрической дугой в разреженном пространстве печи электрода стекает в кристаллизатор и образует слиток, свободный от газов и неметаллических включений.

Все шире распространяется электрошлаковый переплав сталей и сплавов по разработанному Институтом электросварки им. Е. О. Патона методу, обеспечивающему получение слитков осо­ бо высокого качества. Электроплавка с расходуемым литым, ко­ ваным или катаным электродом из стали требуемой марки про­ исходит в среде электропроводящего флюса, нагреваемого элек­ трическим током до 2000° С. Электрод, погружаемый в шлаковую ванну, оплавляется с периферии, Капли металла, отрываясь от

165

Глава tV

МЕТАЛЛЫ ПОКОВОК РОТОРОВ

Современные турбины конструируют, как многоступенчатые агрегаты. В турбинах большой мощности ступени размещают в не­ скольких корпусах. Роторы многоступенчатых турбин представ­ ляют собой важнейшие и ответственнейшие узлы, работающие в тяжелых условиях. Роторы бывают различных типов. Широко применяют дисковый ротор, представляющий собой вал, на кото­ рый насажены диски, несущие рабочие лопатки. Диск обычно несет один ряд рабочих лопаток — одну ступень. На диски ступеней скорости насаживают два ряда рабочих лопаток. В некоторых кон­ струкциях турбин применяют диски, несущие три ряда лопаток.

Особенно распространены в паровых турбинах большой мощ­ ности цельнокованые роторы. Здесь диски не насажены на вал, как в роторе дискового типа, а откованы заодно с валом. В некоторых конструкциях турбин применяют цельнокованые или сборные роторы так называемого барабанного типа, у которых пазы для установки лопаток вытачивают непосредственно на цилиндриче­ ской поверхности барабана.

Изготовление поковки крупного цельнокованого ротора в ряде случаев значительно сложнее, чем изготовление поковок отдельно вала и комплекта дисков, и требует мощного быстроходного и хорошо механизированного кузнечно-прессового оборудования, больших печей для нагрева перед ковкой и термической обработки. Цельнокованый ротор мощной турбины куют из большого слитка, для изготовления которого необходимы крупные сталеплавильные печи. Существенное достоинство цельнокованого ротора — моно­ литность и возможность уменьшения его габаритных размеров, в первую очередь длины, по сравнению с дисковым ротором оди­ накового назначения. Промежуточными между дисковыми и цель­ ноковаными роторами являются комбинированные роторы, у ко­ торых часть дисков откована заодно с валом, а остальные диски откованы отдельно и насажены на цельнокованый вал, как в ро­ торах дискового типа.

Такую конструкцию ротора применяют тогда, когда по тем или иным причинам не представляется возможным отковать все диски заодно с валом. В этом случае преимущества цельнокованой конструкции используют обычно в той части ротора, которая работает в условиях более высоких температур. В некоторых

167

конструкциях турбин применяют сборные роторы, соединяемые из отдельно откованных частей. Существуют различные виды соедине­ ния частей таких роторов: горячая посадка, болтовые соединения, сварка.

В многоцилиндровых паровых турбинах большой мощности отечественного производства роторы высокого давления обычно выполняют цельноковаными, среднего давления — комбинирован­ ными или цельноковаными, а роторы низкого давления — диско­ выми.

МЕТАЛЛЫ ДИСКОВ

В диске различают: обод — периферийную часть, на которую насаживают рабочие лопатки; втулку или ступицу с отверстием * для насадки диска на вал; полотно диска — переходную часть от втулки к ободу. Наиболее сложной по конфигурации частью обработанного диска обычно является обод, на котором устанав­ ливают рабочие лопатки. Самой массивной частью диска является втулка, так как напряжения от центробежных сил, возникающих при вращении диска, имеют максимальное значеьие именно на втулке. Полотно, или переходную часть от втулки к ободу, кон­ струируют различным образом.

Диски могут быть сконструированы как тела равней проч­ ности. При этом толщина полотна будет возрастать от обода к сту­ пице так, что напряжения станут примерно одинаковыми в раз­ личных точках сечения диска. Часто используют диски равной толщины, полотно которых имеет прямоугольное сечение. Приме­ няют диски с профилем полотна, очерченным по гиперболе, диски, форма полотна которых в сечении представляет собой трапецию, и др. Размеры различных дисков изменяются в весьма значитель­ ных пределах в зависимости от мощности турбины и ступени, частоты вращения ротора, массы рабочих лопаток, прочности металла, из которого изготовлена поковка диска, и т. д.

В несущих тяжелый лопаточный аппарат дисках, обладающих значительной массой и вращающихся с большой частотой, возни­ кают весьма значительные напряжения, тангенциальные и радиаль­ ные. Обычно тангенциальные напряжения значительно больше радиальных и достигают максимума у поверхности отверстия во втулке. Существенная особенность работы дисков — высокая тем­ пература окружающей среды. В одной и той же машине темпера­ тура дисков различных ступеней неодинакова. При наиболее высокой температуре работает диск первой ступени, с каждой следующей ступенью температура понижается.

В турбинах с промежуточным перегревом пара температура дисков ступеней, расположенных непосредственно после проме­ жуточного перегрева, выше, чем у предшествующих. Температура,

* В сварных роторах, где цельный вал отсутствует, ротор сваривают из поковок дисков, промежуточных и концевых частей различной конфигурации; диски выполняют обычно без отверстий.

168

при которой работает каждый диск, также непостоянна; она ко­ леблется в определенных пределах в зависимости от режима ра­ боты турбины. В пределах одного и того же режима работы тур­ бины температура диска может быть неодинакова также и по его сечению.

Для дисков сравнительно небольшой толщины существенное значение имеет аксиальная вибрация. По своему характеру вибра­ ция дисков близка к вибрации тонких пластин. Для дисков, также как и для лопаток, характерно многообразие форм прогиба при вибрации. При этом, как и для лопаток, каждой форме прогиба дисков соответствует определенная частота свободных колебаний. При наименьшей частоте наблюдаются общие колебания диска, для которых характерно отсутствие участков, остающихся при этих колебаниях неподвижными. Следующей частоте колебаний, при которой наблюдается резкое повышение их амплитуды, соот­ ветствуют колебания с одним диаметром диска, остающимся не­ подвижным, — так называемым узловым диаметром.

Дальнейшее повышение частоты до некоторого определенного для данного диска значения вызывает вибрацию с двумя узловыми диаметрами, затем с тремя и т. д. В вибрирующих дисках наблю­ даются также и узловые кольца, т. е. окружности, остающиеся неподвижными в процессе колебания. Обычно колебания с узло­ выми кольцами не представляют серьезной опасности для работы диска. Наиболее опасными являются колебания при некоторой критической скорости вращения диска с небольшим числом узло­ вых диаметров.

Диск и установленные на нем лопатки вибрируют одновре­ менно, и поэтому при изучении колебаний их следует рассмат­ ривать как одно целое. Когда в процессе работы диска имеет место резонанс внешних импульсов, обусловленных теми или иными неравномерностями потока пара, с частотой собственных колеба­ ний дисков, возможно перенапряжение металла и разрушение диска. Следовательно, конструировать диски надо так, чтобы они не работали в условиях опасных резонансных вибраций. Так как расчет не может быть абсолютно точен и не учитывает всех возможных факторов, влияющих на характер и частоту вибрации, необходима экспериментальная проверка вибрации дисков.

В практике турбостроения проводят статические и динамиче­ ские испытания на вибрацию. Для статических испытаний диск устанавливают в горизонтальном положении и у его обода монти­ руют достаточно сильный электромагнит переменного тока. При прохождении тока через катушки электромагнита диск испыты­ вает толчки (импульсы), вызывающие вибрацию. Частота толчков в 2 раза больше частоты питающего магнит переменного тока. Частоту тока можно изменять в необходимых пределах.

Формы изгиба колеблющегося тонкого диска можно наблюдать, посыпав его поверхность песком. При вибрации песок образует на поверхности диска определенные фигуры, различные для раз­

169

ных видов колебаний — с двумя, тремя и более узловыми диамет­ рами. Иногда число узловых диаметров определяют на ощупь.

Частоту импульсов постепенно повышают, пока не начинается вибрация со значительной амплитудой (резонанс). При изменении числа импульсов даже на небольшую величину вибрация диска прекращается. Далее, повышая частоту магнитных импульсов, находят второй момент, вызывающий вибрацию диска, но уже при ином виде вибрации — с одним узловым диаметром. Дальнейшим повышением частоты возбуждают вибрацию с двумя узловыми диаметрами и т. д. Так определяют частоту, характерную для каж­ дого вида вибрации диска. При этом чем больше узловых диамет­ ров, тем выше частота вибрации и тем труднее вибрация возбу­ ждается. Частота свободных колебаний вращающегося диска выше, чем невращающегося, так как центробежная сила действует как фактор, увеличивающий жесткость диска.

Для динамических испытаний дисков на вибрацию создают специальные весьма сложные установки. Исследуемьій диск по­ мещают в бронированный корпус из-за возможного разрушения диска в процессе испытаний. Диску сообщают вибрации с разным числом узловых диаметров и определяют частоту этих вибраций. Если испытания покажут, что диск может оказаться в зоне опас­ ных резонансных колебаний, то с диска срезают некоторую часть металла (массу удаляемого металла и место выреза определяют

31.Химический состав (в %) перлитных сталей, применяемых для дисков паровых турбин

П р и м е ч а н и я : 1. Содержание меди допускается до 0,25%. 2. Сумма содер­

жания серы и фосфора в сталях 34ХМА, 34ХШМА, 34XH3MA и 35ХШМ2ФА не должна превышать 0,045%.

170

расчетом) и подвергают диск повторному испытанию. Испытаниям на вибрацию, особенно динамическим, подвергают не все диски. Не испытывают диски заведомо жесткие с высокой частотой свободных колебаний, так как опасность их разрушения от вибра­ ции практически отсутствует.

Металл диска претерпевает коррозионное воздействие пара, однако оно сравнительно невелико. В связи со значительной тол­ щиной дисков и сравнительно медленным развитием коррозии для работы дисков это явление опасности не представляет.

Диски турбин изготовляют из различных сталей и сплавов. Для паровых турбин применяют диски из сталей Перлитного клас­ са — углеродистых и низколегированных хромистых, хромомо­ либденовых, хромоникельмолибденовых и др.

Химический состав, рекомендуемая термическая обработка и физические свойства перлитных сталей, используемых для дис­ ков паровых турбин, приведены в табл. 31—33.

Кроме указанных в табл. 31—33 марок стали для изготовления дисков используют стали Р2М и ЭИ415 (см. стр. 184). Для дисков энергетических турбин средней и большой мощности, производи­ мых в последние годы отечественными турбостроительными заво­ дами, применяют, в основном, пять марок стали: 40Х, 34ХМА, 34ХН1МА, 34XH3MA и 35ХН1М2ФА. Техническими условиями

171