книги из ГПНТБ / Бауман, Н. Я. Технология производства паровых и газовых турбин

кая, которая при нормальной частоте вращения детали дает неуравновешенную центробежную силу в 3—5% от веса балан­ сируемой детали.

Допустимая неуравновешенность, отнесенная к радиусу R, определяется из уравнения

освобождение диска на валу может произойти не ранее, чем при частоте вращения ротора на 12—20% большей рабочей часто­ ты. Для этого приходится использовать большие натяги, кото­ рые вызывают значительные напряжения при посадке дисков на вал.

Например, в одном из дисков турбины с наружным диамет­ ром диска в 1000 мм при диаметре втулочного отверстия

пряжения при посадке на втулочном отверстии в 22,4 кН/см2 V2240 кгс/см2) .

Для снижения чрезмерно больших напряжений от посадоч­ ных натягов завод применял автофритирование турбинных дис­ ков. Сущность этого метода заключается в следующем. Если частота вращения диска начинает превышать такую, которая вызывает напряжение на втулочном отверстии равное пределу текучести материала, то в кольцевой части диска, примыкающей к втулочному отверстию, возникнут пластические деформации. При дальнейшем увеличении частоты вращения область плас­ тической деформации будет распространяться в глубь диска

190

в радиальном направлении. Выше этой области, в направлении к периферии диска, там, где напряжения еще не достигнут пре­ дела текучести материала, деформации будут носить упругий характер. Если в этот момент прекратить вращение диска, т. е. снять нагрузку, то материал диска в зоне пластической дефор­ мации получит остаточную деформацию.

Кольцевая часть диска, находящаяся над зоной остаточных деформаций и имевшая при вращении диска (т. е. при нагруз­ ке) упругую деформацию, ‘будет сжимать внутреннюю дефор­ мированную зону и создавать в ней остаточные, сжимающие напряжения. Описанный здесь процесс и называют автофритированием. Если подвергнутый ' автофритированию диск наса­ дить на вал с натягом, то при вращении его с нормальной рабо­ чей частотой возникающие напряжения будут иметь значитель­ но меньшую величину за счет действия сжимающих напряже­ ний, созданных при предварительном разгоне диска. При этом зона максимальных напряжений переместится в глубь диска и влияние концентрации напряжений от осевого шпоночного паза не будет столь значительным, как в диске, не подвергнутом ав­ тофритированию и имеющем максимальные напряжения во вту­ лочном отверстии.

Применение автофритирования позволяет снизить рабочие напряжения в дисках и, как следствие этого, использовать для дисков материал меньшей прочности, уменьшить длину ступи­ цы, повысить посадочные натяги.

Для автофритирования дисков применяется специальная установка, состоящая из консольного вала, опирающегося на два подшипника скольжения. На одной консоли вала находит­ ся одновенечное колесо приводной паровой турбинки, а на дру­ гой консоли монтируется подлежащий автофритированию диск. Специальная конструкция посадочной втулки под диском обес­ печивает плотную посадку диска и при увеличении внутреннего

Механическая обработка автофритируемых дисков проходит в два приема: сначала диск обрабатывают под автофритирование с припусками по наружному диаметру и диаметру втулоч-' ного отверстия (по 1,5 мм) по толщине обода (1 мм) и по длине ступицы (0,5 мм). Т-образный паз для лопаток не точат. Затем, уже после автофритирования, все перечисленные припуски сни­ мают, внутренний диаметр втулочного отверстия доводят до чертежного и протачивают пазы под лопатки.

Применение для автофритируемых дисков более дешевых марок сталей существенно снижает их стоимость. Каждая тур­ бина имеет на роторе 10—15 дисков, поэтому суммарная эконо­ мия от применения для изготовления дисков более дешевых ма­ териалов достигает нескольких тысяч рублей.

191

Глава X . Б А Л Ы . Ц Е Л Ь Н О К О В А Н Ы Е И С В А Р Н Ы Е Р О Т О Р Ы

1. Назначение и условия работы

В гл. VII были рассмотрены конструкции и условия работы роторов. Вал — основная и наиболее нагруженная деталь ро­

тора.

На вал ротора турбины действуют: крутящий момент, соот­ ветствующий передаваемой турбиной мощности; изгибающий момент от собственного веса и веса насаженных на него дета­ лей; силы неуравновешенного давления пара вдоль оси.

Тяжелые условия работы валов и большая ответственность их с точки зрения обеспечения надежности работы всей турби­ ны требуют особо тщательного подхода к выбору материалов, способов изготовления заготовок и последующей механической обработки, а также методики и средств контроля качества об­ рабатываемых валов на всех этапах технологического про­

цесса.

2. Применяемые материалы и виды заготовок

Валы роторов турбин изготовляют из поковок. Поковки для валов, работающих при температуре металла не свыше 450° L, изготовляют из углеродистых и легированных сталей шести ка­ тегорий (по прочности). Рекомендуемые марки стали согласно отраслевым техническим условиям (ОТУ 24-10-004-68) указа­ ны в табл. 14.

Т а б л и ц а 14

Механические свойства поковок валов и цельнокованых роторов судовых и стационарных паровых турбин из некоторых марок сталей по отраслевым техническим условиям

1 Различные механические свойства одних и тех же сталей достигаются за счет изме­ нения режима термической сбрзбогки, который устанавливается в зависимости ог хими­ ческого состава, размера поковки и требуемых механических свойств материала.

2 Указанные марки стали применяются и для дисков турбин.

192

В паровых и газовых турбинах для валов и цельнокованых роторов, работающих при температурах свыше 500° С, где требуется высокий уровень жаропрочных свойств материала, применяют молибденосодержащие стали, - например хромомо­ либденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибдено­ вольфрамованадиевые. При температурах свыше 700° С приме­ няют сплавы на никелевой основе, а также на кобальтовой, мо­ либденовой и смешанных основах. Некоторые из марок сталей, наиболее широко применяемых для деталей роторов, работаю­ щих при температурах выше 500°С, приведены в табл. 15.

Для изготовления поковки вала отливают слиток, у которо­ го отношение длины к его диаметру равно примерно двум. От слитка отрезают верхнюю прибыльную часть весом около 25% от полного веса слитка, а снизу — донную часть не менее 5% от веса слитка. Проверка материала поковки по химическому сос­ таву и механическим свойствам должна подтвердить соответст­ вие их техническим условиям.

Ось поковки должна совпадать с осью слитка. Внешнее очер­ тание поковок должно приблизительно соответствовать наруж­ ным очертаниям валов (рис. 106, а) с учетом припусков по 30— 40 мм на сторону для последующей обработки. В местах слож­ ных очертаний поковкам придают упрощенную форму, т. е. де­ лают напуск. Тогда короткие ступени, уступы и выемки не об­ жимаются, а куются по диаметру ближайшей большой стороны (рис. 106, б).

Нормы припусков для поковок, указанные в некоторых стан­ дартных справочниках, для валов турбин не применимы. При назначении припусков для таких уникальных поковок исходят из технологических возможностей выполнения кузнечных опе­ раций, необходимости компенсации деформаций при термиче­

200 мм каждая для испытаний. Одну пробу отрезают на заво­ де— изготовителе поковки после ее обдирки и термической обра­ ботки; вторую — на заводе — изготовителе вала. Вырезку проб производят на фрезерно-отрезных станках дисковыми пилами.

Металлургические заводы поставляют поковки роторов и валов, как правило, грубо обточенными и термически обрабо­ танными, по согласованным между поставщиком и заказчиком чертежам заготовок (РЧЗ) с установленными припусками для механической обработки и контрольных испытаний материалов. Размеры припусков обычно следующие: в радиальном направ­

дольных образцов на каждом конце поковки даются припуски по 200 мм и для изготовления тангенциальных образцов и коль­ цевых проб (по дисковой части ротора) — 40 мм.

На рис. 107, для примера, показаны чертежи заготовок цельнокованых роторов высокого давления (рис. 107, а) и низ­ кого давления (рис. 107, б) турбины К-200-130, в состоянии по­ ставки.

Тонкими линиями показаны чистовые контуры роторов. Кольцевые пробы необходймы для контроля внутренних на­

пряжений и изготовления тангенциальных образцов. Вырезка кольцевых проб для контроля внутренних напряжений произво­ дится по специальной методике, описанной в гл. IX. Пробы Б с обоих концов вала должны показать качество металла со сто­ роны верха и низа слитка. Вырезают эти образцы на расстоя­ нии 7 з радиуса от поверхности поковки.

Поковки валов и цельнокованых роторов, с целью определе­ ния качества металла, подвергают следующим видам проверок: определению химического состава, остаточных внутренних на­ пряжений и механических свойств; перископическому осмотру центрального отверстия; микро- и макроструктурному анализу

394

7*

азіОПр

1' I ' Nн 1 1 1 1

Рис. 106. Ступенчатый вал (а) и поковка для него (б); А — припуски для проб на заводе — Изготовителе поковки; Б — припуски для проб на заводе—изготовителе вала; сплошными

.линиями изображен контур поковки; штриховыми— контур вала

на предмет обнаружения флокенов, трещин и других пороков; контролю на равномерность распределения серы и фосфора пу­ тем снятия серных отпечатков; ультразвуковому контролю; тепловым испытаниям.

Химический состав определяется по плавочной пробе, отби­ раемой при разливке стали. Все остальные виды испытаний по­ ковок, кроме теплового, производятся дважды: первый раз на металлургическом заводе при сдаче поковки заказчику; второй раз — в порядке контроля на самом турбинном заводе, что объ­ ясняется его высокой ответственностью за работу турбины в процессе ее эксплуатации. Тепловые испытания проводятся один раз, так как для этого вида испытания требуется, чтобы радиальный припуск против чистовых размеров был минималь­ ный. Обычно его принимают равным 2—3 мм.

Подробнее с процессами контроля и методикой проведения испытаний поковок для валов турбин можно ознакомиться по отраслевой литературе.

3. Основные технические требования к механической обработке валов и цельнокованых роторов

Основными техническими требованиями к процессу механи­ ческой обработки валов и роторов, обычно указанных в черте­ жах турбины, являются следующие:

а) большинство основных размеров валов и цельнокованых роторов должны выполняться по 2-му классу точности, а от­ дельные из них (например, размеры мест под посадку дисков) —

превышать 0,02 м; опорных шеек— не более 0,015 мм; г) смещение центрального отверстия относительно опорных

800 мм от места посадки диска — для консольных роторов; е) допустимое торцовое биение по упорному диску, выточен­

ному за одно целое, и фланцу жесткой муфты по присоедини­ тельной стороне должно быть не более 0,015—0,02 мм; по обо­ ду дисков цельнокованого ротора — 0,05 мм; по всем уступам вала с насадными дисками — 0,01—0,03 мм;

197

198

и т. д. С обеих сторон поковки ставят угольники 2. Верхнюю по­ верхность поковки окрашивают меловой краской. От угольника откладывают отрезки (например, отрезок М), равные радиусу, увеличенному на величину припуска для чистовой обработки. Расстояние К между точками в одном сечении показывает тол­ щину слоя металла на диаметр, который нужно удалить при черновой обработке.

Соединив середины расстояний между этими точками в каждом сечении, получим среднее положение осевой линии поковки. Для определения правильного положения оси вдоль вала натягивают струну АБ, которая должна проходить между намечен­ ными точками. Струну нужно натянуть так, чтобы припуски с обеих сторон расположи­ лись по возможности одинаково. Положение струны у торцов отмечают рисками СС. По положению струны накернивают точки, ко­ торые соединяют риской.

Повернув вал приблизительно на 90°, по­ вторяют разметку в другой плоскости и на­ носят на торцах риски ТТ. В точках пересе­ чения рисок намечают места центровых от­ верстий. Если при разметке будет установ­ лено, что величина припускрв является недостаточной или она вовсе отсутствует и поковка не поддается правке, то поковку бракуют, не приступая к дальнейшей обра­ ботке.

Центровка вала. У валов турбин центро­ вые отверстия выполняют с углом зенковки

90° и добавочным предохранительным конусом с углом 120". Размеры центровых отверстий приведены в табл. 16. Центровку выполняют на горизонтальном сверлильно-фрезерно-расточном станке с обеих концов вала.

Обдирка поковки. Обдирку поковок турбинных валов и цель­ нокованых роторов крупных размеров производят на токарно­ центровых станках большой мощности, с двумя или тремя суп­ портами для одновременной работы несколькими резцами. При обработке один конец вала крепят кулаками планшайбы, дру­ гой подпирают центром задней бабки.

При обдирке крупных и тяжелых валов необходимо рабо­ тать с люнетами, применяя центра лишь в исключительных слу­ чаях или в качестве дополнительных опор; шейки под люнеты точат на центрах. Чистота обработки поверхности шеек не ниже 7-го класса. На шейки под люнет целесообразно насаживать шариковые подшипники, что позволит работать на увеличенных скоростях резания [17]. При обработке коротких валов устанав-

199