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

т .

Рис. 4. Роторы турбины. На переднем плане дисковый ротор

Рис. 5. Цельнокованый ротор в процессе чистовой обработки

На рис. 6, в представлен сварной ротор турбины типа ПВК150 низкого давления. По сравнению со сборными ротора­ ми дискового или барабанного типа, сварной ротор обладает

Рис. б. Конструкции соединений частей роторов:

а — болтами; б — торцовыми радиальными шпонками; в — сваркой

Рис. 7. Ротор мощной газовой турбины

рядом значительных технологических преимуществ: упрощаются поковки, сокращается цикл механической обработки. Изготовле­ ние сварных роторов требует весьма высокого уровня сварочной техники. С точки зрения технологичности роторы турбин доста­ точно хорошо отработаны.

Основными деталями ротора являются валы, диски и рабо­ чие лопатки. Диски с насаженными на них лопатками называют

61

также и рабочими колесами. Посадка дисков на вал осуществ­ ляется с натягом, обеспечивающим постоянную плотность соеди­ нения без возможности ослабления как в рабочих условиях от действия центробежных сил массы диска, так и при пусках тур­ бины, из-за различия температур диска и вала в процессе про­ гревания. Необходимая величина натяга определяется расчетом.

Ориентировочная величина натяга составляет 0,001 диаметра вала. Разность между максимальным и минимальным натягами обычно равна 0,05—0,08 мм, что обеспечивается обработкой по­ садочных мест диска и вала в пределах 1-го класса точности. Посадка дисков с натягом не исключает необходимости приме­

ки 2, устанавливаемые в пазах на торце ступицы. В этой конст­ рукции крутящий момент будет передаваться через две ради­ альные шпонки на специальную малонагруженную втулку 3, связанную с валом осевой шпонкой 4.

В конструкциях роторов судовых турбин применяют так на­ зываемые пальцевые втулки. Втулка своим наружным диамет­ ром точно, но без натяга, пригоняется к диску и соединяется с ним при помощи ряда радиальных штифтов. Диск с втулкой насаживается на вал с обычным натягом и удерживается от про­ ворачивания осевыми шпонками, установленными в пазы, вы­ полненные в валу и пальцевой втулке. Если под действием тем­ пературы или центробежных сил диаметр отверстия в диске станет больше диаметра пальцевой втулки, то соосность диска и втулки (а следовательно, и вала) все же сохранится вследствие наличия радиальных штифтов. В то же время посадка втулки на валу не может ослабеть, так как напряжения во втулке под дей­ ствием ее центробежной силы незначительны, а температура втулки почти не отличается от температуры вала. Данная кон­ струкции особенно уместна в сильно нагруженных дисках, а так­ же в первых ступенях высокого давления судовых турбин, где время прогрева турбины обычно очень мало.

Детали собранного ротора должны быть надежно закреплены против воздействия усилий проходящего пара, стремящегося сдвинуть их вдоль вала. Вместе с этим детали ротора должны иметь возможность свободного теплового расширения, что обес­ печивается наличием гарантированных тепловых зазоров.

Ввиду того что роторы турбин работают в весьма напряжен­ ных и тяжелых условиях, к выбору материалов для деталей ро­ торов, к качеству их обработки и качеству сборки роторов предъ­ являются высокие требования, о которых подробно сообщается в соответствующих главах книги.

62

Глава VIII. РАБОЧИЕ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ ЛОПАТКИ

1. Назначение лопаток и условия их работы

Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двигателей. В совокупности они образу­ ют проточную часть турбины, в которой происходит преобразо­

паточного аппарата: Трудоемкость изготовления лопаток совре­ менной мощной паровой турбины достигает 42—45% от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей.

Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изги­ бающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызы­ вающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть воз­ буждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически;

выполнять все образующие формы лопаток размеры и соблю­ дать установленные для их изготовления технические требова­ ния. Отклонения от чертежей могут вызвать в лопатках допол­ нительные напряжения, не предусмотренные расчетами, что, в свою очередь, может привести к серьезной аварии турбин.

2. Материалы, применяемые для изготовления лопаток

Анализ условий, в которых работают лопатки, и изучение ти­ пичных аварий лопаточных аппаратов обусловили следующие требования к материалу рабочих лопаток турбин:

а) высокая жаропрочность, т. е. сохранение высоких показа­ телей прочности при высокой рабочей температуре;

б) высокая пластичность, необходимая для равномерного распределения напряжений по всей площади поперечного сече­ ния лопатки; хорошая сопротивляемость местным перенапряже­ ниям;

63

в) высокая усталостная прочность (выносливость);

г) высокий декремент затухания;

д) стабильность структуры, обеспечивающая неизменность механических свойств во время эксплуатации турбин;

е) сопротивляемость коррозии под действием перегретого и влажного пара, а также кислорода воздуха; высокая сопротив­ ляемость окислению и окалинообразованию при высоких темпе­ ратурах в газовых турбинах;

ж) высокая сопротивляемость эрозии;

з) благоприятные технологические свойства, позволяющие применять более рациональные методы обработки лопаток (в первую очередь — обработку резанием) и обеспечивающих точное выполнение размеров профиля и высокую чистоту обра­ ботки. Металл для лопаток должен хорошо коваться, штампо­ ваться, расклепываться без появления трещин, хорошо гнуться и вальцеваться в холодном состоянии. В случае сварных конст­ рукций от металла лопаток требуется хорошая свариваемость.

Советские турбиностроительные заводы применяют для изго­ товления лопаток исключительно нержавеющие стали, в основ­ ном 1X13 и 2X13. Эти стали хорошо работают в области темпе­ ратур до 475° С. Заметное снижение прочности начинается лишь с 500° С. При температурах до 580° С применяется сталь 1Х12ВНМФ. Высокая пластичность этой стали обеспечивает не­ значительную чувствительность ее к концентрациинапряжений. Перечисленные выше стали относятся к мартенситному и мар­ тенситно-ферритному классу. .Для более высоких температур применяются стали аустенитного класса с высоким содержанием марганца и никеля.

Проверенными в работе до температур свыше 580 до 650° С являются стали 1Х14Н18В2БР1 и ХН35ВТ. Сталь ХН35ВТ пригодна для длительной работы (до 100 000 ч) при температуре 650° С, а сталь ХН35ВТК (отличается от первой в основном содержанием кобальта) — при температуре до 700° С. Основным недостатком аустенитных сталей в лопаточном производстве яв­ ляется плохая обрабатываемость резанием и высокая стоимость заготовок. Поэтому при выборе сталей для лопаток надо стре­ миться прежде всего найти подходящий матерңал среди более дешевых хромистых сталей и только после этого начинать вы­ бор среди аустенитных сталей (хромоникелевых).

Для лопаток, работающих при температурах свыше 650 до 800° С, используются более жаропрочные (чем стали) металличе­ ские сплавы на никелевой основе. Среди них ХН70ВМЮТ, ХН80ТБЮ и др.

Повышение мощности турбин повлекло за собой увеличение длины лопаток последних ступеней свыше 1000 мм и потребова-

64

ло изыскания, в связи с этим, более прочных металлов, чем не­ ржавеющие стали, так как прочностные возможности последних полностью используются в лопатках длиной до 1000 мм. Более подходящим для длинных лопаток металлом оказался титан и, в частности, его сплавы с алюминием.

Коррозионная стойкость титановых сплавов очень велика и приближается к свойствам благородных металлов. Сопротивле­ ние эрозии у них выше, чем у нержавеющих сталей, но ниже, чем у стеллита, а поэтому защита лопаток от эрозионного раз­ рушения все-таки необходима. Декремент затухания этих спла­ вов ниже, чем у нержавеющих сталёй. Изготовление заготовок и механическая обработка их также сложнее, чем нержавеющих сталей. Как горячая, так и холодная обработка требуют приме­ нения специальных режимов.

Для ленточных бандажей лопаточных аппаратов в зависимо­ сти от значений температуры и напряжений применяются стали 1X13, 2X13 и др. Для скрепляющей и демпферной проволоки в паровых турбинах применяется сталь типа 1X13.

Из созданной в настоящее время большой номенклатуры ло­ паточных материалов рассмотренные здесь материалы являются наиболее употребительными.

3.Типовые конструкции лопаток

Влопаточных аппаратах турбин имеются рабочие (подвиж­ ные) и направляющие (неподвижные) лопатки. Наиболее про­ стые типы их показаны на рис. 8 (активные) и на рис. 9 (реак­ тивные). Они имеют постоянный по высоте профиль и могут быть изготовлены как из получаемого хблодной прокаткой свет­ локатаного профиля, так и фрезерованием из горячекатаных заготовок. Уширение для образования хвоста у реактивных ра­ бочих лопаток (рис. 9, а) получают осаживанием готового про­ филя на специальном прессе в холодном состоянии и называют высадкой. Крепление таких лопаток показано на рис. 10, а. Крепление активных лопаток показано на рис. 10, б.

Влопатках различают профильную часть 1, хвост 2 и голов­ ку с шипом 6. При помощи хвоста лопатки крепятся к диску турбины 3. Между лопатками вставляются промежуточные тела (вставки) 4, определяющие величину шага лопаток и являющие­ ся нижней стенкой канала. По высоте каналы активных ступе­ ней турбины ограничиваются ленточными бандажами 5, которые надеваются на шипы и удерживаются расклепкой шипов. У ре­

межуточными телами и с профильными (рис. 11, а) или с плос­ кими (рис. 11, б) поверхностями сопряжения. На рис. 13 и 14

Рис. 8. Лопатки ступени скорости.

а — рабочая; б — направляющая

Рис. 9. Лопатки реактивной турбины:

а — рабочая; б — направляющая

Рис. 11. Рабочие лопатки последних ступеней турбины:

а — 30-я ступень турбины Сименс-Шук- керт (50 МВт, 1500 об/мин); б — 12-я сту­ пень турбины ЛМЗ (50 МВт, 3000 Ьб/мин); в — 31-я ступень турбины ББЦ (50 МВт 3000 об/мин)

3*