11. Роторы турбин и их конструкция. Крепление деталей на валу материалы дисков, валов, цельнокованых роторов.

Роторы представляют собой один из самых ответственных узлов паровой турбины. Они несут на себе рабочие лопатки, образующие вместе с направляющими лопатками, расположенными в корпусе цилиндра, проточную часть турбины, и передают на генератор крутящий момент, возникающий от окружного усилия, развиваемого потоком пара на лопатках.

Ротор турбины включает в себя вал, облопаченные диски, втулки концевых уплотнений, втулки масляных уплотнений подшипников и ряд других деталей. На валу выполнены опорные шейки под вкладыши подшипников и посадочные поверхности для насадки дисков, втулок уплотнений, полумуфт и других деталей.

Конструкции роторов и применяемые при их изготовлении материалы определяются особенностями и условиями их работы: высокой частотой вращения, значительными усилиями от центробежных сил, длительным воздействием высоких температур и быстрым их изменением, коррозионно-эрозионным разрушением металла.

Роторы турбины бывают дисковой и барабанной конструкции. Дисковая конструкция характерна для турбин активного типа, а барабанная — для турбин реактивного типа.

Конструктивно ротор может быть выполнен с насадными дисками, цельнокованым, комбинированным, сварным .

Роторы с насадными дисками (сборные роторы) могут работать только при умеренных температурах пара, так как при высоких температурах пара вследствие релаксации напряжений может происходить ослабление посадки диска на вал; такие роторы применяются в турбинах низких и средних параметров пара и в части низкого давления мощных турбоагрегатов.

Ротор состоит из ступенчатого вала, на который насаживаются диски, уплотнительные втулки, паро- и маслозащитные кольца, упорные диски, соединительные муфты и другие детали.

Посадка на вал всех насадных деталей выполняется с натягом, который должен обеспечивать передачу крутящего момента от диска к валу или от вала к муфте. При расчете натяга необходимо учесть его ослабление в процессе эксплуатации под действием центробежных сил и температуры. Посадка дисков на вал осуществляется в нагретом состоянии. Нагрев дисков ведется до температур, обеспечивающих соответствующее увеличение посадочного диаметра и свободную, без закусываний и перекосов, сборку.

С целью предотвращения проворачивания дисков на валу при чрезвычайных ситуациях, например при коротком замыкании обмоток генератора, между валом и дисками существует система продольных и торцевых шпонок. Каждый диск обычно устанавливается на одну осевую шпонку. Осевые шпоночные пазы на валу под отдельные диски смещены по окружности один относительно другого. Для нагруженных дисков, в частности дисков последних ступеней турбины, используют торцевые шпонки, устанавливаемые между торцевой поверхностью диска и легкой деталью, насаживаемой на вал. Торцевые шпонки между дисками устанавливаются попарно диаметрально противоположно относительно друг друга. Основными недостатками сборных роторов являются напряженность дисков по посадочной поверхности, особенно при наличии продольного паза, и необходимости разборки при контроле и ремонте.

Цельнокованые роторы состоят из вала и дисков, выточенных заодно с валом из одной поковки. Цельнокованые роторы значительно компактнее, обладают более высокой жесткостью, чем роторы с насадными дисками и в основном применяются в цилиндрах с высокими параметрами пара.

Цельнокованый ротор высокого давления состоит из передней части вала с концевым уплотнением большой длины, массивного диска регулирующей ступени с двумя (или одной) ступенями скорости, дисков постоянной толщины для активных ступеней давления и задней части вала с концевым уплотнением.

Из-за сложности изготовления высококачественных поковок больших размеров диаметры цельнокованых роторов ограничены обычно 1,30 м, длина — 6м.

Цельнокованые роторы (так же как валы для сборных роторов) почти всегда выполняются с центральным осевым каналом, который предназначен для механического удаления дефектов металла слитка, возникающих в этой зоне (при остывании отливки ротора в этой зоне концентрируются вредные примеси и возникают дефекты металла). Центральное отверстие ротора мало влияет на изменение поперечной жесткости, а при механической обработке ротора на заводе является базой для его обработки.

Уплотнительные втулки, паро- и маслозащитные кольца, упорные диски, соединительные муфты и другие детали роторов, работающие в зоне не очень высоких температур, чаще всего изготавливаются заодно с валом, но могут выполняться и насадными, в этом случае их посадка на ротор выполняется с натягом.

Основным недостатком цельнокованых роторов является необходимость замены или серьезной реконструкции всего ротора при повреждениях одного из дисков.Роторы комбинированного типа представляют собой комбинацию двух вышеописанных типов роторов. У роторов комбинированного типа диски нескольких первых ступеней выполнены заодно с валом, а диски последующих ступеней насаживаются на вал (рис. 7.1,в). Роторы комбинированного типа применяют в турбинах, у которых в одном цилиндре температура пара изменяется в большом интервале, например РСД турбин К-200-130, К-300-240 ЛМЗ, К-300-240 ХТЗ и других, где на вход цилиндра поступает пар из промперегрева с температурой 540 °С, а последние ступени этих роторов являются частью низкого давления.

Сварные роторы изготавливают из отдельных дисков и концевых частей, соединяемых кольцевыми сварочными швами по специальной технологии. Части ротора представляют собой поковки умеренных размеров, что позволяет получить равномерную структуру металла по объему детали и улучшить тепловую стабильность ротора. Сварные роторы имеют ряд преимуществ перед другими типами роторов: меньшую массу и, следовательно, меньшие нагрузки на опорные подшипники, меньшие осевые размеры при том же количестве ступеней и как следствие большая жесткость роторов.

Сварные роторы применяются в ЦНД современных турбин большой мощности, например, ХТЗ и ЛМЗ применяют сварную конструкцию для двухпоточных роторов низкого давления. Представляет интерес конструкция ротора из сваренных между собой дисков, применяемая ХТЗ для роторов низкого давления. Крайние диски этих роторов откованы заодно с концами вала, средние диски представляют собой самостоятельные поковки, сваренные между собой по центрирующим пояскам.

Определенным недостатком сварного ротора является затрудненный контроль состояния металла в зоне сварных соединений при капитальных ремонтах.

Для роторов и валов турбин используют высокопрочные углеродистые или легированные релаксационно-устойчивые жаропрочные стали. Материалом дисков служат как простая углеродистая сталь, так и специальные стали (хромоникелевая, хромо-молибденовая и другие).

Для цельнокованых и комбинированных роторов ЦВД и ЦСД наиболее часто употребляются стали марок ЭЙ 415 (20ХЗМВФ), Р2 (25Х1М1Ф), Р2МА (25Х1М1ФА), обладающие высоким сопротивлением ползучести и термической усталости.

Для роторов НД применяются стали марок 34ХНЗМ, 34ХМ, обладающие высокой статической прочностью, вязкостью разрушения и высоким сопротивлением коррозионному разрушению. Валы роторов с насадными дисками, сами диски и другие насадные детали изготавливаются чаще всего из стали марок 34ХЗМ, 35Х12Ф, 35ХМЮА; 34ХН1МА; 34ХНЗМА; 35ХНЗМФАР. Рис. 6.1: 1 – шейка для посадки полумуфты, 2 – шейка подкладки подшипника, 3 – порцевая шпонка, 4 – балансировочные грузы, 5 – посадные диски, 6 – осевые шпонки. Рис. 6.2: 1 – диск, 2 – шпоночные пазы, 3 – шпонки, 4 – втулка уплотнения, 5 – вал. Рис.6.3. 1 – выступ вала, 2-5 – диски с 1-ой по 4-ю ступень, 6 – торцевая шпонка, 7 – шпоночные кольца, 8 – осевая шпонка, 9 – осевой груз, 10 – кольцо для фиксации диска, 11 – шейка вала подкладыш подшипника.