4.4 Осевое усилие на упорный подшипник турбины

Под действием пара в турбине возникает сила, стремящаяся сдвинуть ее ротор в осевом направлении (обычно в сторону дви­жения пара). Для удержания ротора турбины в определенном по отношению к ее неподвижным частям положении служит упорный подшипник. Надежность работы турбины в большой сте­пени зависит от работоспособности упорного подшипника, вос­принимающего результирующее осевое усилие.

Осевое усилие, действующее на ротор многоступенчатой тур­бины, появляется в результате разностей давлений, возникаю­щих: по обе стороны рабочих лопаток; по обе стороны дисков рабочих колес; на разных диаметрах вала (уступах ротора и втулках уплотнений) как внутри проточной части, так и на уча­стках наружных (концевых) уплотнений; в гребнях диафрагменного и периферийного уплотнений.

Значения этих составляющих осевого усилия зависят от сте­пени реактивности, веерности (Θ=d/l), конструктивного оформ­ления ступеней (осевые и радиальные зазоры, тип и размеры уплотнений и др.) и режимных параметров (чисел М и Re, отно­шения u/c_ф), которые, в свою очередь, определяются коэффици­ентами расхода. Достоверность определения, как суммарного осевого усилия, так и отдельных его составляющих зависит от точ­ности определения давлений в соответствующих камерах (сече­ниях) проточной части турбины. Однако эти давления, во-пер­вых, не постоянны по высоте лопаток, радиусу дисков и длине уплотнений и, во-вторых, в настоящее время определяются при­ближенно.

Осевое усилие изменяется с изменением режима работы тур­бины, так как при этом изменяется распределение давлений по ступеням. При этом следует отличать стационарные осевые уси­лия, характерные при длительной работе турбины на заданных различных режимах (переменные режимы), от осевых усилий, изменяющихся во времени и возникающих в течение перехода от одного режима на другой (переходные процессы). Кроме того, осевые усилия изменяются в процессе эксплуатации (из-за отло­жений в проточной части — изменения площадей сопловой и ра­бочей решеток, износа уплотнений), а также при реконструк­циях турбины.

Как показывают многочисленные исследования, при некото­рых условиях значения осевых усилий могут значительно увели­чиваться по сравнению со значениями на расчетных режимах. Такие условия возникают при понижении температуры пара, от­крытии перегрузочного клапана, сбросе и набросе нагрузки, из­менении частоты вращения, реакции со стороны генератора и др.

Полное осевое усилие, действующее на ротор, определяется суммированием усилий, возникающих в каждой ступени, а так­же действующих на уступы ротора и уплотнения, расположенные вне проточной части ступеней.

Рис.4.5 Цилиндр высоко­го давления с петлевым потоком пара:1, 2 — наружный и внутрен­ний корпуса, 3— сопловая коробка. 4, 5 —подводящий и отводящий патрубки

Для уменьшения осевого усилия в дисках турбин выполняют разгрузочные отверстия. Иногда применяют так называемый разгрузочный поршень, в качестве которого служит первый от­сек переднего концевого уплотнения увеличенного диаметра. Разгрузить упорный подшипник можно применением ЦВД с пет­левым потоком пара (рис.4.5). При этом пар через подводящие патрубки 4 подается в сопловые коробки 3, затем протекает справа налево через группу ступеней, расположенных во внут­реннем корпусе 2, делает поворот на 180° и проходит между на­ружным 1 и внутренним 2 корпусами, попадает во второй отсек ЦВД и через отводящий патрубок 5 выводится из цилиндра.

В конденсационных паровых турбинах без промежуточного перегрева уравновешивание осевых усилий происходит в резуль­тате противоположных направлений потоков в соседних цилиндpах (рис.4.6). При этом суммарное осевое усилие равно разности R₁ и R₂ .Этот способ не дает эффекта при переходных режи­мах турбин, имеющих промперегрев, вследствие большой инер­ционности парового объема трубопроводов промперегрева. В момент перехода с одного режима на другой из-за разновременности изменения давлений в цилиндрах усилия не уравновешиваются.

Рис.4.6 Уравновешивание осевых усилий в соседних цилиндрах с противопо­ложными направлениями потока пара

Наиболее эффективным способом разгрузки упорного подшипника является применение двухпоточных ЦНД с симметричной проточной частью. При этом суммарное осевое усилие в цилиндре, определяющееся разностью усилий R₁ и R₂, равно нулю. Однако на практике полной симметрии до­биться невозможно, поэтому даже в таких ЦНД возникают не­значительные осевые усилия.